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CAIO AUGUSTUS MORAIS BOLZANI Desenvolvimento de um Simulador de Controle de Dispositivos Residenciais Inteligentes: Uma Introdução aos Sistemas Domóticos. Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia São Paulo 2004

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CAIO AUGUSTUS MORAIS BOLZANI

Desenvolvimento de um Simulador

de Controle de Dispositivos Residenciais Inteligentes:

Uma Introdução aos Sistemas Domóticos.

Dissertação apresentada à Escola

Politécnica da Universidade de

São Paulo para obtenção do

Título de Mestre em Engenharia

São Paulo

2004

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CAIO AUGUSTUS MORAIS BOLZANI

Desenvolvimento de um Simulador

de Controle de Dispositivos Residenciais Inteligentes:

Uma Introdução aos Sistemas Domóticos.

Dissertação apresentada à Escola

Politécnica da Universidade de

São Paulo para obtenção do

Título de Mestre em Engenharia

Área de Concentração:

Engenharia de Sistemas

Eletrônicos

Orientador:

Prof. Dr. Marcio Lobo Netto

São Paulo

2004

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Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob

responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.

São Paulo, 24 de junho de 2004.

_________________________________

Caio Augustus Morais Bolzani – Autor

_________________________________

Prof. Dr. Marcio Lobo Netto - Orientador

FICHA CATALOGRÁFICA

Bolzani, Caio Augustus Morais

Desenvolvimento de simulador de controle de dispositivos

residenciais inteligentes: uma introdução aos sistemas domóticos, 2004.

115p.

Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica da Universidade de São

Paulo. Departamento de Engenharia Elétrica.

1.Domótica 2.Ambientes Inteligentes 3.Residências Inteligentes

4.Dispositivos Inteligentes 5. Computação Pervasiva

I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamento de Engenharia

de Sistemas Eletrônicos. II.t.

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Aos meus pais, Elio e Beatriz

pelo apoio e amor incondicional

Page 5: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

Agradeço ao meu orientador Prof. Dr. Marcio Lobo Netto pelo apoio e

pela paciência durante todos estes anos.

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RESUMO

Este trabalho realiza estudos sobre residências inteligentes, tema este que

inclui sistemas eletrônicos voltados à aplicação domiciliar (sistemas domóticos), bem

como descreve o método de desenvolvimento de um simulador computacional de

dispositivos residenciais inteligentes. Neste projeto foram agregados vários conceitos

de âmbito tecnológico, considerando suas relações com aspectos comportamentais

humanos. O simulador permite manipular e visualizar as interações entre

dispositivos eletrônicos e usuários da residência inteligente, possibilitando uma

análise do comportamento de ambos e a descoberta de métodos efetivos de

convivência entre homens e máquinas no ambiente doméstico.

O autor investiga e desenvolve representações computacionais de sistemas

domóticos que sejam:

?? Eficientes: capazes de atingir metas sob restrições de tempo e recursos;

?? Autônomos: capazes de decidir e adaptar-se a mudanças;

?? Sociais: capazes de interagir com outros sistemas ou usuários presentes no

ambiente.

O programa foi desenvolvido utilizando o paradigma da programação

orientada a objetos, fazendo uso dos recursos disponíveis por meio de da linguagem

Java, o que garante portabilidade e compatibilidade com diversos sistemas

operacionais.

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ABSTRACT

This work conducts studies about the broad theme Intelligent Homes, which

include residential applications for electronic systems (domotics), and describes an

intelligent appliances computer simulator developed to assist the design and analysis

of such environments. In this project many technological concepts were analyzed,

considering their relationship to human behavior in computer assisted automatic

environments. The simulator allows the manipulation and visualization of the

interactions between electronic appliances and users, promoting analysis of the

behavior of both and discovering effective methods of living, between men and

machines, in a domestic area.

The author investigates and develops computational representations of

domotic systems that are:

?? efficient: able to reach goals under resource and time constraints;

?? autonomous: able to decide and adapt to changes;

?? social: able to interact with other systems or users in the environment.

The software was developed utilizing the object-oriented paradigm, making

use of the Java language resources, which assures portability and compatibility on

most operational systems.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 1

1.1 Objetivo ........................................................................................................ 1

1.2 Motivação..................................................................................................... 2

1.3 Trabalhos Correlatos.................................................................................... 2

1.4 Conteúdo e Organização .............................................................................. 3

2. RESIDÊNCIA INTELIGENTE........................................................................... 6

2.1 Princípios da Domótica ................................................................................ 7

2.2 Computação Pervasiva ............................................................................... 10

2.3 Organização da Residência Inteligente ...................................................... 11

2.4 Ambientes Inteligentes............................................................................... 13

2.5 Dispositivos Inteligentes ............................................................................ 15

2.6 Sistemas Domóticos ................................................................................... 20

2.7 Sensores e Atuadores ................................................................................. 20

2.8 Modos de Interação e Percepção................................................................ 22

2.9 Interface com o Usuário ............................................................................. 29

3. REDE DOMÉSTICA......................................................................................... 34

3.1 Tipos de Redes Domésticas ....................................................................... 35

3.2 Compartilhamento do Acesso .................................................................... 36

3.3 Serviços e Aplicações ................................................................................ 38

3.4 Questões Sobre a Rede Residencial........................................................... 41

4. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL ...................................................................... 45

4.1 Histórico..................................................................................................... 47

4.2 Convergência de Padrões........................................................................... 49

4.3 Centralizando o Sistema ............................................................................. 50

4.4 Integrador de Sistemas Residenciais.......................................................... 52

4.5 Readaptação de Ambientes ........................................................................ 54

5. SISTEMAS DOMÓTICOS ............................................................................... 57

5.1 Detecção e Controle Mecânico .................................................................. 58

5.2 Energia Elétrica.......................................................................................... 59

5.3 Aquecimento, Ventilação e Ar-condicionado (HVAC)............................. 61

5.4 Iluminação.................................................................................................. 63

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5.5 Detecção e Combate de Incêndios ............................................................. 64

5.6 Segurança Patrimonial ............................................................................... 65

5.7 Identificação e Automação de Acessos...................................................... 67

5.8 Multimídia.................................................................................................. 68

5.9 Fluidos e Detritos....................................................................................... 69

5.10 Monitoramento e Visualização .................................................................. 72

5.11 Auditoria e Otimização de Processos......................................................... 73

5.12 Integração dos Sistemas............................................................................. 73

6. PROPOSTA DE UM AMBIENTE INTEGRADO DE SIMULAÇÃO ............ 77

6.1 Introdução ao Simulador ............................................................................ 77

6.2 Arquitetura do Simulador........................................................................... 81

6.3 Criação dos Parâmetros Estruturais e Geométricos ................................... 84

6.4 Sistemas Domóticos ................................................................................... 85

6.5 Dispositivos Inteligentes ............................................................................ 94

6.6 Usuários ..................................................................................................... 94

6.7 Desenvolvimento de Interface Gráfica ...................................................... 95

6.8 Cenários e Resultados ................................................................................ 96

7. TRABALHOS FUTUROS E CONCLUSÃO ................................................ 100

7.1 Trabalhos Futuros .................................................................................... 100

7.2 Considerações Finais ................................................................................ 101

APÊNDICE A – SENSORES E ATUADORES ..................................................... 104

APÊNDICE B – ESTUDO DE CASO .................................................................... 109

Gerador de Eventos .............................................................................................. 110

BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 111

Livros ................................................................................................................... 111

Artigos.................................................................................................................. 111

Teses..................................................................................................................... 114

Internet ................................................................................................................. 114

Bibliografia Complementar.................................................................................. 114

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Interdependência entre sistema, usuário, tarefa e o ambiente ....................... 6

Figura 2 Residências Inteligentes ................................................................................ 8

Figura 3 Rede Doméstica ............................................................................................. 9

Figura 4 Modelo global de residência inteligente ...................................................... 12

Figura 5 Interação da residência inteligente com o ambiente .................................... 13

Figura 6 Definição de vários ambientes em um mesmo espaço físico ...................... 14

Figura 7 Definição de um ambiente agregando vários espaços físicos ..................... 14

Figura 8 Evolução do número de dispositivos ........................................................... 16

Figura 9 Modelo de dispositivo inteligente ............................................................... 18

Figura 10 Utilização de interfaces de controle ........................................................... 20

Figura 11 Sensores e Atuadores................................................................................. 21

Figura 12 Informações de Caráter Geométrico.......................................................... 24

Figura 13 Sistemas de percepção e rastreamento....................................................... 25

Figura 14 Smart Floor................................................................................................ 27

Figura 15 Estereografia .............................................................................................. 28

Figura 16 Modelos de interfaces WIMP e tridimensional......................................... 32

Figura 17 Diagrama do Everywhere Displays ........................................................... 33

Figura 18 Exemplo de rede doméstica ....................................................................... 35

Figura 19 Compartilhamento de acesso com gateway............................................... 37

Figura 20 Modelo de negócios do ITU ...................................................................... 40

Figura 21 Convergência de padrões........................................................................... 49

Figura 22 Rack de equipamentos............................................................................... 51

Figura 23 Conceito de automação residencial ........................................................... 54

Figura 24 Sistema de controle de energia .................................................................. 60

Figura 25 Sistemas de Controle Integrados ............................................................... 74

Figura 26 Exemplo de arquivo descritor.................................................................... 79

Figura 27 Fluxo de funcionamento do simulador ...................................................... 81

Figura 28 Estrutura do simulador .............................................................................. 82

Figura 29 Hierarquia do simulador ............................................................................ 83

Figura 30 Coordenadas utilizadas no Java ................................................................. 84

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Figura 31 Sistema de percepção atuando ................................................................... 87

Figura 32 Exemplo gráfico de janelas. Na sequência: fechada e aberta .................... 89

Figura 33 Exemplo gráfico de portas. Na sequência: aberta e fechada ..................... 89

Figura 34 Representação gráfica do sensor de temperatura....................................... 90

Figura 35 Representação gráfica do sensor de presença atuando .............................. 91

Figura 36 Representação gráfica do sensor acústico ................................................. 91

Figura 37 Representação gráfica do sensor de intensidade de iluminação ................ 91

Figura 38 Representação gráfica do wattímetro ........................................................ 91

Figura 39 Representação gráfica do sensor de água .................................................. 92

Figura 40 Representação gráfica do sensor de umidade ............................................ 92

Figura 41 Representação gráfica do sensor de CO2................................................... 92

Figura 42 Representação gráfica do telefone ............................................................. 93

Figura 43 Representação gráfica do usuário .............................................................. 95

Figura 44 Painel principal do simulador.................................................................... 95

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ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 Características dos principais sistemas de percepção e rastreamento ......... 29

Tabela 2 Situação atual e proposta............................................................................. 46

Tabela 3 Prioridades dos sistemas domóticos.......................................................... 109

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

AMI Alternate Mark Inversion

ANSI American National Standards Institute

ATM Asynchronous Transfer Mode

CAP Carrierless Amplitude Phase

CDMA Code Division Multiple Access

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection

DS-CDMA Direct Sequence CDMA

ETSI European Telecommunication Standards Institute

FDM Frequency Division Multiplexing

IP Internet Protocol

ISDN Integrated Services Digital Network (RDSI)

ITU International Telecommunication Union

LAN Local Area Network

MAC Media Access Control

NAT Network Address Translator

PCS Personal Communication Services

PDA Personal Digital Assistant

POTS Plain Old Telephone System

PSK Phase Shift Keying

PSTN Public Switched Telephone Network

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QoS Quality of Service

RTPC Rede de Telefonia Pública Comutada

TDMA Time Division Multiple Access

UTP Unshielded Twisted Pair

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GLOSSÁRIO

GATEWAY Equipamento terminal que interliga

duas redes de comunicação distintas.

HEADEND

Equipamento que captura ou gera sinais

que são processados e amplificados

para distribuição em um sistema de

vídeo residencial.

HOME-OFFICE Trabalho em casa . Escritório em casa.

HVAC Sistema de ventilação, ar condicionado

e aquecimento.

JINI

Protocolo utilizado em Automação

Residencial.

LONWORKS

Protocolo utilizado em Automação

Residencial.

MULTI-ROOM

Sistema de transmissão de áudio/vídeo

unificado e que controla vários

ambientes simultaneamente.

RG59, RG6

Tipos de cabos coaxiais que suportam

alta capacidade de trafego.

RS232, RS485 Protocolos de comunicação serial

utilizados por PCs.

UTP

Unshielded Twisted Pair. Cabo

utilizado em redes de dados e voz com

4 pares encapados e trançados

(metálicos e não blindados)

WIRELESS

Sistema de transmissão sem fio.

X-10 Protocolo utilizado em automação

residencial

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I. CONCEITOS FUNDAMENTAIS

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1

1. INTRODUÇÃO

Residências inteligentes e sistemas domóticos têm atraído crescente interesse,

uma vez que possibilitam a atuação supervisionada e não supervisionada de

dispositivos eletrônicos em uma residência, exe rcendo tarefas complexas e

interagindo com usuários e com o meio físico. A utilização de tais dispositivos no

ambiente residencial deflagra uma série de discussões e questões em várias outras

disciplinas, quando o comportamento humano é avaliado. Desta forma, o

desenvolvimento de residências inteligentes reúne esforços de Engenharia, Ciência

da Computação, Inteligência Artificial, Psicologia, Sociologia e Filosofia,

caracterizando-se como uma área multidisciplinar.

A adoção de sistemas computacionais, redes de dados e dispositivos de

automação em residências têm crescido muito nos últimos anos alavancada pela

introdução da computação pessoal e do advento da Internet, mas ainda carece de

muita pesquisa no sentido de torná- los onipresentes e transparentes ao usuário,

aumentando os níveis de conforto e segurança.

Um simulador de sistemas domóticos e automação residencial permite

antecipar e analisar o resultado das interações humanas com um ambiente

computacionalmente ativo, bem como prever o comportamento dos dispositivos

frente à essa forma de interação.

1.1 Objetivo

Este trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento de um software

simulador de controle de dispositivos eletrônicos inteligentes em uma residência.

Destacam-se ainda outros objetivos secundários que fornecem a estrutura para o

desenvolvimento do objetivo principal mencionado, que seguem:

?? planejamento de residências inteligentes – necessidade dos usuários, estado

da arte, desenvolvimento de interfaces, descrição dos sistemas;

?? descrição dos dispositivos inteligentes, denominados DIs – características

físicas e funcionais, métodos computacionais, descrição de estados,

interfaceamento com o meio, interligação dos dispositivos;

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2

?? planejamento da rede doméstica – hierarquia do sistema, metodologia de

interligação de dispositivos em redes heterogêneas, descrição de gateways;

?? maximização energética – controle ativo de consumo dos recursos

energéticos, reutilização de recursos, controle remoto dos dispositivos.

1.2 Motivação

A motivação pela escolha do tema se dá pela necessidade de uma

metodologia para a criação de um ambiente inteligente e de uma ferramenta que

possibilite a visualização das características de novas implementações. Essa

necessidade surgiu devido a uma falta de conformidade e padronização mundial no

desenvolvimento de dispositivos inteligentes e na sua interligação em redes. Uma

vez estabelecidas algumas normas, esta ferramenta age como fomentadora para o

iminente crescimento do uso de tais dispositivos e serviços, voltados ao ambiente

inteligente. Acredita-se a falta desta padronização se deva a uma combinação de uma

pobre percepção dos benefícios da automação residencial com uma relutância por

parte da indústria de produtos eletrônicos de consumo para não correrem riscos

investindo em uma tecnologia em um mercado ainda desconhecido [Corcoran, 1997].

A utilização de um simulador computacional visa detectar possíveis

problemas, tanto no âmbito social como no tecnológico, permitindo o aprimoramento

de métodos pré-estabelecidos, bem como auxiliar na criação de novos ambientes e

dispositivos. A utilização de um sistema computacional possibilitará ainda buscar

melhorar a eficiência energética do conjunto, proporcionando uma redução do

consumo de energia residencial aliado a um aumento da segurança e do conforto do

usuário.

1.3 Trabalhos Correlatos

Muitos trabalhos têm sido desenvolvidos sob o tema de Residências

Inteligentes. A grande maioria proveniente de países como os Estados Unidos, Japão

e Comunidade Européia. É tímida, ainda, a participação do Brasil no número de

artigos publicados e de projetos desenvolvidos. Algumas associações e entidades têm

surgido reunindo profissionais e ministrando cursos sobre novos produtos e

tecnologias, mas até a presente data, não foi encontrado pelo autor nenhum

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3

laboratório de entidade pública ou privada envolvida no desenvolvimento de temas

relacionados com residências ou ambientes prediais inteligentes no Brasil.

Um fator que motiva os países acima citados a desenvolverem sistemas

inteligentes para residências tem sido a necessidade da economia de recursos naturais

e energéticos. Eles acreditam que através da implementação de sensores, dispositivos

inteligentes e sistemas de gerenciamento haverá uma significativa redução no

consumo destes recursos, vitais para os seus contínuos processos de

desenvolvimento.

Atualmente, a maioria dos estudos se concentra em duas grandes vertentes: a

de redes domésticas e a de sistemas de controle. Muitos centros de pesquisa têm

dispensado grandes esforços desenvolvendo redes de dados adequadas às

necessidades e peculiaridades domésticas. Várias propostas têm inundado o mercado

na tentativa de terem o padrão adotado mundialmente. Por outro lado, indústrias de

eletro-eletrônicos ainda estão despertando para a criação de interfaces destinadas ao

uso residencial esperando, talvez, uma determinação da indústria de redes.

A pesquisa relacionada aos ambientes inteligentes, bem como a interação com

o usuário ainda é incipiente. Desta forma, este trabalho tem o objetivo de modelar os

dispositivos e suas interações na tentativa de preencher uma lacuna no

desenvolvimento de sistemas inteligentes residenciais.

1.4 Conteúdo e Organização

Esse texto está dividido em três partes:

?? Parte I – Conceitos Fundamentais, onde os fundamentos básicos da

Domótica, Redes Domésticas e Automação Residencial são descritos e

formalizados;

?? Parte II – Pesquisa e Desenvolvimento, onde são descritos a metodologia

adotada e o processo de desenvolvimento do simulador;

?? Parte III – Apêndices, onde são apresentados os tipos de sensores e

atuadores, bem como detalhes sobre a implementação do simulador gráfico.

A Parte I é composta por 5 capítulos:

O Capítulo 1 que constitui esta introdução.

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4

O Capítulo 2 descreve os mais importantes conceitos de uma residência

inteligente, introduzindo os dispositivos eletro-eletrônicos, os sistemas de

rastreamento e percepção e os modelos de interfaces com o usuário. O

desenvolvimento dos ambientes domésticos segundo o direcionamento da

computação pervasiva também será abordado neste capítulo.

O Capítulo 3 aborda os tipos de redes domésticas, a necessidade do

compartilhamento da rede pelos dispositivos inteligentes, a variedade dos serviços e

aplicações que podem ser desenvolvidos, e por fim as dificuldades de implementação

de um sistema de redes em um ambiente heterogêneo.

O Capítulo 4 introduz o conceito de automação residencial, bem como a

função do integrador de sistemas residenciais, a readaptação de ambientes já

construídos e sem infraestrutura e a importância da convergência dos padrões

tecnológicos no desenvolvimento dos sistemas de automação.

O Capítulo 5 descreve os sistemas internos da residência, denominados

sistemas domóticos, responsáveis pela gestão da casa inteligente. Ainda aborda os

métodos de redução do consumo energético através da adoção de controle e

monitoramento eletrônicos.

A Parte II é composta por 2 capítulos:

O Capítulo 6 descreve a proposta de desenvolvimento de um simulador de

dispositivos de controle de residência inteligente, bem como a descrição do

funcionamento dos sistemas domóticos e suas atuações frente ao sistema de gestão

de uma casa inteligente. Ele ainda detalha e valida a implementação do projeto

através da simulação de vários cenários que verificam a atuação dos dispositivos

presentes na residência frente aos inúmeros eventos ocorridos.

O Capítulo 7 sugere alguns trabalhos que podem ser desenvolvidos

futuramente tanto na área de Engenharia, como também na Ciência da Computação,

Sociologia e Medicina. Ele ainda conclui a dissertação e avalia os resultados frente

aos objetivos propostos.

A Parte III é composta por dois apêndices e a bibliografia.

O primeiro descreve os modelos de sensores e atuadores que podem ser

utilizados em uma residência inteligente. O segundo apêndice descreve outros

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5

cenários que foram criados e exemplificados a fim de se especificar novos padrões de

comparação e validação do projeto.

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6

2. RESIDÊNCIA INTELIGENTE

Muitos usuários não imaginam, mas já possuem diversos computadores em

suas casas. Aparelhos como geladeiras, microondas, televisores, videocassetes e

aparelhos de som têm microchips embutidos realizando inúmeras funções. Hoje

ainda, muitos destes aparelhos não conversam entre si e tem inteligência limitada.

Atualmente, por exemplo, se o usuário programar o temporizador do forno de

microondas de forma inadequada, com a possibilidade de torrar o alimento, ele não

será avisado do problema e o forno, por si só, não abortará a programação. Se a

geladeira for programada para degelo e não for religada após um certo tempo, um

sistema de controle que comanda a operação poderia avisar o usuário que a comida

poderá estragar e se tiver autonomia para tal, poderia religá-la evitando prejuízos.

Dessa forma, o comportamento de uma residência inteligente não pode ser

avaliado independentemente da tarefa que está executando ou do ambiente que está

imerso. O funcionamento e operação de um sistema domótico são definidos pelo

comportamento do próprio sistema, pelo usuário, pelo ambiente específico e pela

tarefa específica. Somente a descrição simultânea de todos estes aspectos pode

definir o comportamento de uma residência inteligente (Figura 1) (Adaptado de

COSTA, 2003).

Tarefa

UsuárioAmbiente

SistemaDomótico

Figura 1 Interdependência entre sistema, usuário, tarefa e o ambiente

Adaptada de [COSTA, 2003]

O ambiente é responsável pela geração de eventos naturais como mudanças

de temperatura, luminosidade, umidade, etc. Outro gerador de eventos é o usuário;

caminhando pela residência, ele dispara vários eventos indiretamente (através da

detecção da sua posição pelos sensores) ou diretamente, agindo sobre a interface

(acendendo ou apagando uma lâmpada por meio do painel de toque, por exemplo). O

sistema observa todas estas variações e eventos e executa suas tarefas a que foi

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7

programado, essas tarefas podem ser o ajuste da temperatura de um cômodo, o

disparo de mensagens frente a uma emergência, etc.

Com a adição de “inteligência” em todos os equipamentos espalhados pela

casa, e não centralizado no PC como acontece atualmente, consegue-se uma

transformação radical na vida do morador de uma casa inteligente. É como se a casa

inteligente cooperasse com a sua própria gestão, desafogando o usuário. Um exemplo

seria uma casa de campo ou de praia onde houvesse a possibilidade de verificação e

controle dos equipamentos remotamente por parte do usuário como, por exemplo,

abrir as janelas para arejar os cômodos e fechá- las mediante a possibilidade de chuva

ou por meio de uma programação executada pelos próprios eletrodomésticos e outros

diversos tipos de atuadores. Estes sistemas são atualmente denominados sistemas

inteligentes.

2.1 Princípios da Domótica

A palavra domótica originou-se do latim domus que significa casa. É a técnica

moderna de engenharia dos sistemas prediais e equipamentos a eles ligados. Com a

utilização de novas tecnologias pretende-se criar sistemas de controle automático de

uma residência ou edifício, automatizando os processos repetitivos, tornando as

residências inteligentes. Uma residência inteligente difere das usuais por dois

motivos:

?? utilizam dispositivos que desenvolvem funções extras contribuindo para a sua

própria gestão e para a gestão da residência, substituindo ou complementando

os tradicionalmente usados

(

Residênc iac o m u m

Disposi t ivosIntel igentese S is temasDomót icos

Residênc iaintel igente

Arquitetura eMétodos

Modernos deConst rução

?? Figura 2).

?? utilizam conceitos modernos de arquitetura e de construção, possibilitando o

uso mais apropriado de fontes naturais de energia, reduzindo a taxa de

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8

utilização de equipamentos de iluminação, ventilação, aquecimento e

esfriamento, reduzindo, por consequência, o consumo de energia elétrica.

Os dispositivos inteligentes (DIs) são a parte fundamental de uma residência

inteligente. São equipamentos eletro-eletrônicos que além de exercerem as funções

para as quais foram concebidos, agregam hardware e software adicionais que lhes

provém recursos extras, permitindo o controle e gerenciamento remoto e sua

interconexão em rede.

Residênc iac o m u m

Disposi t ivosIntel igentese S is temasDomót icos

Residênc iaintel igente

Arquitetura eMétodos

Modernos deConst rução

Figura 2 Residências Inteligentes

O termo “inteligente” é utilizado neste trabalho como diferenciador entre o

estado mais simples do sistema em questão e o seu estado de valores agregados ou

evoluído. No momento que o dispositivo é construído com a possibilidade de se auto

gerir ou gerir outros equipamentos, acredita-se que o termo “inteligente” possa ser

empregado sem restrições. No entanto não se quer fazer qualquer menção à

capacidade humana, e nem mesmo ferir fortes conceitos definidos em áreas como

inteligência artificial ou ciência cognitiva. O termo é apropriado para descrever uma

capacidade dos dispositivos e do próprio sistema, que por combinar em algum grau

autonomia, tomada de decisão e inferência, podem ser chamados de inteligentes.

Vale ressaltar que o termo tem sido muito utilizado comercialmente e com

fins publicitários para enaltecer novas funcionalidades de equipamentos,

dispositivos, sistemas ou serviços. Porém, na verdade, muitas vezes não

desempenham efetivamente uma capacidade de aprender, compreender, interpretar

ou desenvolver alguma forma de intelecto ou perspicácia [AURÉLIO, 1999].

Os eletro-eletrônicos inteligentes são capazes de comunicação,

interoperabilidade e controle remoto através de uma rede de dados, aqui denominada

“rede doméstica”. Estes dispositivos podem ser fixos, como caixas acústicas ou

móveis, como telefones portáteis. Em residências onde existe uma conexão de banda

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larga presente, eles poderão se comunicar com a Internet possibilitando o surgimento

de aplicações como administração remota e automação residencial.

A utilização do PC como controlador corresponde a uma possível forma de

implantação do sistema. Porém, uma visão mais abrangente permite uma

implementação descentralizada, ao invés de focalizar sua atuação no desktop. Para

suportar uma grande variedade de atividades, surge a necessidade de uma

computação descentralizada baseada em uma rede de dados heterogênea, a rede

doméstica (figura abaixo).

Rede Doméstica

Figura 3 Rede Doméstica

Outro fator importante é a possibilidade de utilização de vários outros dispositivos

de entrada e saída além do mouse, teclado, alto-falantes e displays. O sistema, no

entanto, deve ter uma percepção mais profunda do espaço físico tanto no âmbito

sensorial como no de controle. Dispositivos de entrada poderiam incluir uma

diversidade enorme de sensores, câmeras ou interfaces biométricas enquanto que os

de saída incluiriam sistemas de entretenimento, de iluminação e telas/displays

diversos.

A necessidade de informação perceptual sobre o estado e a localização de

pessoas e de DIs diferencia a criação dos ambientes inteligentes dos ambientes

estáticos suportados pela computação tradicional. Assim, um modelo acompanhado

de uma descrição geométrica do ambiente, suas características de construção e que

represente a relação física entre as entidades deve ser produzido. Os diversos

sensores permitirão que o sistema tenha informação sobre os parâmetros do

ambiente, posicionamento dos DIs e localização de pessoas ou coisas. Esta percepção

introduz complicações como a utilização de modelos dinâmicos, análise de dados

provenientes de fontes e sensores diversos em tempo real.

Devido ao alto custo da mão de obra especializada e a falta de padronização

nas instalações elétricas residenciais, a diversidade de soluções encontrada ainda é

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10

grande e, na sua maioria, precária. Este fator gera confusão para o usuário no

momento da compra de um novo equipamento para a sua residência. Com a

utilização de sistemas inteligentes, espera-se uma uniformização das instalações

residências e uma porta aberta ao crescimento dos negócios no setor, por meio da

distribuição de conteúdo digital diretamente ao dispositivo eletrônico. As residências

se tornarão então, palco dos novos meios de comércio e marketing.

2.2 Computação Pervasiva

Ao contrário dos PCs domésticos de uso geral, os dispositivos embutidos nos

eletrodomésticos são pequenos, baratos e otimizados para executarem funções bem

específicas. Eles tendem a ser mais confiáveis, mais fáceis de usar e mais robustos.

Devido à rápida miniaturização dos componentes eletrônicos, não haverá mais uma

parafernália composta de fios e circuitos. Células eletrônicas de tamanhos

microscópicos já realizam tarefas diversas e complicadas com um custo relativo

baixo. Necessita-se, no entanto, de uma padronização no diálogo entre estes

dispositivos. A computação pervasiva1 pode ser então definida como a utilização de

sistemas computacionais em um amplo espectro. Isto acarreta em:

?? Uma interconexão de DIs integrados em uma rede de dados universal.

?? Uma interface amigável - dispositivo/usuário - que irá mascarar a

complexidade da tecnologia. As interfaces devem estender o corpo físico do

usuário, hoje por meio de botões e em breve, por meio de biosensores.

?? Um sistema digital com manutenção e administração simples. Uma conta

única exemplificando todos os serviços requeridos pelo usuário deve ser o

grande atrativo nos próximos anos. Os incentivadores dessa unificação

deverão ser os provedores de conteúdo e acesso que terão uma conexão direta

com o usuário e sua residência.

1 O termo “pervasiva” é um neologismo utilizado com o sentido de ubíqua ou onipresente. Advém de uma tradução

direta do termo pervasive computing encontrado no trabalho de Gerard O´Driscoll [O´Driscoll, 2001]. Acredita-se

que seja um termo consagrado nas discussões técnicas referentes.

Page 26: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

11

?? Um sistema que se auto descobre. Eles devem descobrir uns aos outros e

observar o meio que se encontram. Um exemplo seria descobrir que na TV

está passando um filme que o usuário gostaria de ver e programar o VCR

para gravá- lo.

As pessoas investem uma grande quantidade de tempo, energia e dinheiro em

suas casas para moldá- las conforme seus gostos e suas necessidades. Parte dos gastos

se dá com equipamentos de segurança, iluminação, ar condicionado, áudio e vídeo.

No entanto, a maioria das casas não oferece espaço para a introdução de sistemas

mais complexos de automação e controle. Muitos proprietários normalmente

acreditam que dispositivos assim tornam a vida mais complexa e frustrante e não

trazem o conforto e a relaxamento a que se propõe [Intille, 2002]. Pesquisadores do

MIT Home of the Future Consortium têm investigado como a tecnologia e novos

produtos e serviços poderiam melhor se ajustar às necessidades do futuro. Eles

acreditam que a casa do futuro não usará a tecnologia para automatizar as tarefas,

mas sim a usará para ajudar o usuário a controlá- la de acordo com a sua vontade. A

automação deve ser utilizada para ajudar o usuário a cumprir suas tarefas diárias mas

não a pensar por ele. As informações devem estar precisamente dispostas no tempo e

no lugar necessários auxiliando na tomada de decisões; e o sistema, por meio de

aprendizado e adaptação, deve fornecer sugestões para o gerenciamento de todo o

ambiente residencial. A retirada do controle por parte do usuário mostra uma

sensação de impotência psicológica e física [Rodin, 1977]. Esse novo foco acarreta

várias mudanças no processo de desenvolvimento da tecnologia, dos produtos, dos

processos e da criação do ambiente.

2.3 Organização da Residência Inteligente

O modelo de residência inteligente apresentado (Figura 4) agrega vários

sistemas de controle, gateways, sensores, atuadores, DIs, etc. Este modelo será

utilizado durante todo o trabalho como base para a exposição dos diversos sistemas e

no desenvolvimento do simulador.

Page 27: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

12

Sensores

Alto-falante

Sensores

Sensores

Atuadores

Atuadores

DI

Controle

Aquisição deDados

ControladorCentral

Mic

Display

ServidorWEB

Controlador deServiços de Rede

Drivers

M-Bus

EIB1-Wire

Banco de Dados

Internet

Gateway

Firewall

Sistema de rastreamento epercepção

Câmerasestereográficas

Tags RF

Microfones

Interface com usuário

Telas detoque

Interfacesvirtuais

DI

DI

Fluidos e detritos

Energia elétrica

Segurança patrimonial

Detecção e combatede incêndios

Iluminação

Redes decomputadores

HVAC

Auditoria e otimizaçãode processos

Monitoramento evisualização

Multimídia

Telefonia

Detecção e controlemecânico

Identificação eautomação deacessos

Sistemas

Figura 4 Modelo global de residência inteligente

Uma residência inteligente pode extrair informações sobre as condições

físicas do ambiente por meio da utilização de sensores e detectores. Pode interpretar

tais informações, planejar ações e realizar inferências utilizando a capacidade de

raciocínio embutida no controlador central ou nos DIs. Finalizando o ciclo, pode

executar ações por meio dos atuadores, afetando as condições do ambiente,

produzindo novas situações.

Page 28: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

13

SistemasDomóticos

ControladorCentral

Ambiente

Sensores edetectores

Percepção

Ação

Atuadores eDIs

Figura 5 Interação da residência inteligente com o ambiente

Adaptada de [COSTA, 2003]

O fato de ser inteligente indica que os sistemas da residência realizam uma

decisão de forma racional, isto é, selecionam as ações que maximizam a

probabilidade de alcançar o sucesso desejado na execução da tarefa a eles designada,

dado o que foi por eles percebido do ambiente. Isto não significa que devam ser

puramente reativos, mas sim que eles devem ter a habilidade de combinar as

circunstâncias imediatas com suas metas de longa duração, de tal forma que ajustem

continuamente seus comportamentos de modo apropriado frente às situações externas

e internas [COSTA, 2003].

2.4 Ambientes Inteligentes

Uma residência inteligente agrega vários ambientes inteligentes. Eles não

necessariamente correspondem ao espaço físico delimitado pelas paredes que cercam

o ambiente em si. Sala de estar, quartos, cozinha e sala de jantar, por exemplo, são

ambientes que promovem muita interação pois têm alto tráfego de pessoas e agregam

muitos sensores e DIs. Desta forma, para se otimizar a relação entre usuário e

equipamentos, é importante dividir o espaço físico em subespaços proporcionando

setores diferenciados com relação ao controle dos sistemas e padrões de

sensoriamento (Figura 6).

Page 29: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

14

SuiteBanho1 Banho2

Quarto 1

Quarto 2

CozinhaÁrea deServiço

Garagem1

Sala de Estar

EntradaPrincipal

Hall

Garagem2

Corredor

Figura 6 Definição de vários ambientes em um mesmo espaço físico

Por outro lado, muitas vezes, espaços físicos inteiros ou parte de regiões

limítrofes utilizam o mesmo padrão de controle. Neste caso, o ambiente inteligente

pode ampliar sua área de atuação para mais de um cômodo. Sistemas de apoio a

crianças, idosos ou portadores de deficiência utilizam este conceito criando áreas

seguras ao longo de espaços físicos distintos (Figura 7).

SuiteBanho1 Banho2

Quarto 1

Quarto 2

CozinhaÁrea deServiço

Garagem1

Sala de Estar

EntradaPrincipal

Hall

Garagem2

Corredor

Figura 7 Definição de um ambiente agregando vários espaços físicos

Um ambiente inteligente é então um espaço virtual definido pelo propósito

que se pretende desempenhar e não necessariamente pelo espaço físico estabelecido.

Ambientes inteligentes podem se sobrepor, seguindo, no entanto, uma hierarquia

Page 30: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

15

bem definida de ações e propósitos sempre direcionada à segurança dos ocupantes e

ao estabelecido em padrões vigentes.

A definição do espaço virtual ocupado por um ambiente inteligente está

também diretamente ligada ao modelo utilizado do sistema de percepção. Mais a

diante ele será detalhado mas no momento é definido como um sistema que provê

informação de posição de pessoas e coisas como também visa predizer as ações do

usuário. Se ele for unidimensional, a acuidade é reservada a dois semiplanos

divididos por um segmento de reta. Se for bidimensional, obtém-se a noção de

posicionamento em duas direções sem, no entanto, definição de altura. Se o sistema

de percepção possibilitar uma acuidade tridimensional, determina-se a localização

completa de um ponto no espaço, maiores graus de acuidade ou multidimensionais

possibilitam a criação se subespaços inteligentes de formatos tridimensionais e ainda

provêem informações adicionais do usuário como postura, movimentos de face ou

das mãos.

Ambientes inteligentes contêm uma diversidade de sensores, atuadores e DIs

que, quando conectados de forma pertinente possibilitam o desenvolvimento de

inúmeros serviços, sistemas e métodos de gestão da residência. Tais dispositivos

trocam informações entre si e com outros grupos de dispositivos inseridos em outros

ambientes. Nem toda a forma de comunicação, no entanto, deve ter um aval de um

gerenciador central, o que tornaria o sistema lento e hierarquicamente dependente.

Portanto, a troca de informações entre DIs é permitida mas desde que seja de

informações de curta duração, rápido acesso e não traga nenhum risco ao usuário ou

à residência. Mas esta forma de comunicação e controle tem que estar prevista no

modelo de gerenciamento e operação do sistema, que deve ser projetado para ser

distribuído, ou seja para suportar tomada de decisões sem a participação de um

organismo centralizador.

Independente do modelo de gerenciamento adotado, a vontade do usuário é a

que deve prevalecer. Por isso, é possível ao usuário atuar explicitamente para abrir

portas e janelas, ou controlar a temperatura; isto pode ser feito por meio da interface

do usuário que o sistema proporciona.

2.5 Dispositivos Inteligentes

Page 31: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

16

Dispositivos inteligentes são o tema central na construção de ambientes e

residências inteligentes. Qualquer equipamento que tenha autonomia para

desenvolver uma tarefa básica, efetuar troca de informações com outros dispositivos,

possibilitar comando remoto e ter capacidade de tomada de decisão pode ser

considerado um dispositivo inteligente.

Os consumidores irão experimentar uma invasão de novos eletro-eletrônicos

com a capacidade de se comunicarem entre si e com a Internet que agregarão um

valor surpreendente em equipamentos e serviços ao mercado A seguir (Figura 8) é

apresentada a evolução no número de dispositivos existentes ao longo dos anos,

acompanhando assim as sucessivas ondas tecnológicas.

100s

Mainframes(anos 60)

Minicomputadores

(anos 70)

PCs(anos 80)

Telefonescelulares(anos 90)

Dispositivosinteligentes

(hoje)

Tempo

BILHÕES

100s MILHÕES

MILHÕES

1000s

Núm

ero

de d

ispo

sitiv

os

Figura 8 Evolução do número de dispositivos

Fonte: [O´DRISCOLL, 2001]

Podemos apresentar duas classes de componentes, os que apresentam

inteligência nativa, ou seja, já neles inserida, e aqueles que requerem sub-sistemas

complementares de controle, nos quais se encontra tal capacidade.

Os sub-sistemas auto-contidos são fabricados com todos os componentes de

software e hardware necessários para o desenvolvimento das operações básicas de

comando remoto, interligação em rede, autonomia e tomada de decisão que um DI

deve estar capacitado. Caso, o dispositivo não apresente inteligência nativa ele pode

se utilizar da integração de outros sub-sistemas para desenvolver as mesmas funções

Page 32: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

17

dos DIs nativos. Por exemplo, um equipamento multimídia como um DVD poderia

se utilizar de sensores, atuadores e interfaces de rede e de usuário para a introdução

de novas funções como o controle remoto, controle de mídia, troca de mensagens,

comando por voz, etc.

Num passado recente, alguns acontecimentos levaram ao desenvolvimento do

dispositivo inteligente: a miniaturização dos componentes eletrônicos, o vertiginoso

crescimento da interligação de computadores em rede, a necessidade da automação

de tarefas e a busca por equipamentos de uso pessoal. Telefones celulares,

computadores de bolso, relógios de pulso e até mesmo aquecedores de água e

geladeiras já sofrem modificações, ampliando suas funcionalidades, poupando tempo

do usuário comum.

Em um cenário residencial, dois possíveis modelos podem ser utilizados:

?? periféricos em comunicação com um computador central;

?? DIs em comunicação direta com a rede doméstica.

Se forem periféricos, não existirá um custo adicional elevado na implantação,

porém, se o computador central parar de funcionar, os periféricos também deixarão

de operar. Os DIs, no entanto, possibilitam uma arquitetura distribuída, efetiva e

muito mais poderosa e robusta (Figura 9). Eles são o cerne da computação ubíqua ou

pervasiva e muitos outros projetos [Coen, 1999], [Dey, 1999], [Minar, 1999] e

[Brumitt, 2000] têm adotado e utilizado este mesmo princípio. Para uma maior

facilidade na análise e desenvolvimento, dispositivos dinâmicos como os DIs

motivam um desmembramento das funções de hardware e da lógica interna em

diversas camadas mais simples permitindo a análise e a modificação de algumas

funções sem alterar todo o seu funcionamento. Assim, os DIs são compostos por

cinco partes essenciais:

?? Núcleo básico;

?? Interface de rede;

?? Software de aplicação e controle;

?? Entradas e saídas de dados;

?? Interface com o usuário.

Page 33: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

18

O núcleo básico corresponde ao conjunto hardware / software do dispositivo

que desempenha as funções principais a que ele foi destinado. Qualquer outro

recurso secundário não pertence ao conjunto de funções de responsabilidade do

núcleo. Um núcleo de um aparelho de TV teria como funções básicas sintonizar um

canal e mostrá- lo na tela. Essencialmente, são as duas funções que qualquer TV

deve poder realizar. O núcleo básico é, de um modo simples, um eletro-eletrônico

sem a adição de recursos que lhe possibilitariam uma interconexão em rede ou

controle e verificação de estado remoto.

Núcleo

Interfacecom

usuário

Software deaplicação

Interface de rede

Entradase saídas

(I/O)

Dispositivo Inteligente

Software decontrole

Rede Doméstica

Sensorese

atuadoreslocais

MicrofonesTelas de

toqueDisplays

Sensores eatuadoresremotos

Outros DIsInterfacesremotas

Figura 9 Modelo de dispositivo inteligente

Devido às características de inteligência distribuída dos DIs, existe a

necessidade de um mecanismo que possibilite a comunicação entre máquinas. A

interface de rede permite ao dispositivo inteligente trocar dados com outros

dispositivos da rede doméstica como gerenciadores ou outros DIs. Não existe

qualquer restrição quanto ao tipo de rede adotada, podendo inclusive ser usada mais

do que uma (por exemplo: rede de controle de baixa velocidade e rede de dados

multimídia de alta velocidade). O sistema, no entanto, deve prover algum modo de

identificação ao dispositivo na rede.

Page 34: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

19

Apesar de todo o complexo sistema de hardware, circuitos, placas e

microchips que envolvem um dispositivo inteligente, a maioria das funções de

controle e entrada e saída é comandada por uma lista de códigos contendo instruções

e parâmetros. O software de controle é então este conjunto de instruções que define

seu funcionamento básico. No entanto, camadas mais altas como o modo de

operação, entrada e saída de informações e mensagens para o usuário são controlados

pelo software de aplicação.

É grande a responsabilidade dos códigos inseridos nos dispositivos no

propósito de torná- los mais amigáve is, impulsionando o mercado de DIs e por

conseqüência possibilitando a criação de ambientes inteligentes. Quanto mais

desenvolvido é o software, melhores são as funcionalidades disponíveis, menor é a

quantidade de recursos gastos e maiores são os benefícios alcançados em projetos de

residências inteligentes [Van Harmelen, 1994].

Qualquer que seja o DI utilizado, ele deve disponibilizar canais de entrada e

saída de dados. Através deles, o DI se comunica diretamente com sensores e

atuadores e, indiretamente, por meio da interface de rede, com outros dispositivos,

com redes de dados globais (Internet, etc.) permitindo o controle e a visualização

remota de estados. Mais a diante, verificar-se-á que existem dois modos básicos de

troca de dados: entre DIs e entre um DI e o controlador central. Cada um

desempenha um papel importante, ora aumentando a velocidade na tomadas de

decisão, ora centralizando o controle no gerenciador, onde se estabelece a maior

inteligência do sistema.

Qualquer equipamento eletrônico precisa de uma interface para se comunicar

com o usuário, seja ela real ou virtual, local ou remota. Com os DIs não é diferente.

É através da interface que o usuário interfere na sua programação e visualiza o estado

de funcionamento. A interface deve permitir uma interação rápida, fácil e sempre

presente. Em conjunto com o sistema de percepção (detalhado mais a diante), a

interface deve utilizar as informações geométricas do ambiente para disponibilizar

telas (displays) e comandos de uma forma confortável e ubíqua. A tendência das

interfaces é que se tornem cada vez mais naturais e propícias para uma interação com

os usuários de uma forma não intrusiva (Figura 10).

Page 35: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

20

InterfaceUsuário Sistemas

Figura 10 Utilização de interfaces de controle

Dependendo do tipo de dispositivo e da complexidade das funções que realiza

vários tipos de interface podem ser utilizadas: real ou virtual, local ou remota.

Interfaces reais são implementadas por meio de componentes físicos como botões,

alto-falantes, etc. Caso estejam no mesmo invólucro onde se encontra o hardware

principal, ela será local, caso contrário, ela será remota. Interfaces virtuais utilizam

informações do sistema de percepção para controlar os DIs por meio de movimentos

da face, postura ou teclados luminosos virtuais [Pinhanez et al, 2001]. Se o DI exerce

funções onde não há a necessidade de uma interação direta, pode-se implementar

uma interface real porém remota agrupando várias interfaces em apenas uma tela de

toque, por exemplo. Um tocador de DVD pode disponibilizar vários tipos de

interface como uma real e local (no próprio aparelho) e uma real e remota, em uma

tela sensível ao toque.

2.6 Sistemas Domóticos

Em uma residência inteligente existem inúmeros fatores que devem ser

analisados e complexas tarefas devem ser realizadas a fim de promover a gestão

suave e contínua dos dispositivos e atuadores. Implementar todos os métodos de

percepção, planejamento e atuação em um só sistema é um trabalho árduo e que

reúne várias desvantagens, dentre elas a manutenção, a dificuldade em inserir novas

operações e a busca de erros. Deste modo, a gestão da residência inteligente é

dividida em vários sub-sistemas responsáveis cada um por operações bem específicas

e gerenciados por um controlador central, correspondendo portanto a uma estrutura

hierárquica.

2.7 Sensores e Atuadores

Page 36: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

21

O sensores e atuadores são a interface da residência inteligente com o meio

físico. Os sensores transformam parâmetros físicos (temperatura, umidade, etc.) em

sinais elétricos apropriados para que os sistemas domóticos possam analisá- los e

tomar decisões.

Sistemas de Contro le

Sensores

Atuadores

Figura 11 Sensores e Atuadores

Os atuadores são componentes eletro-mecânicos que têm suas características

alteradas conforme os impulsos elétricos recebidos. Eles podem ser interligados

diretamente aos dispositivos inteligentes ou ser conectados por meio de pequenas

interfaces a uma rede de dados para que possam ser utilizados por qualquer sistema

domótico.

As características dos sensores e atuadores são importantes, uma vez que deles

dependem diretamente as capacidades de uma residência inteligente. Uma lista com

os principais tipos de sensores e atuadores é apresentada no Apêndice A.

No mercado de automação existe uma variedade muito grande de sensores

que possibilitam o monitoramento de inúmeras grandezas físicas e eventos.

Basicamente, são os sensores que retornam a informação de um evento permitindo

que o controlador saiba se uma ação enviada foi executada com sucesso ou não. Uma

bomba d´água, por exemplo, só para de funcionar quando o sensor de nível retorna a

informação de cheio para o controlador local que é quem efetivamente controla a

bomba. Pode-se, no entanto, enviar tal informação para uma central com propósitos

diversos, como um meio de informação aos moradores que há água suficiente ou não

para todos tomarem banho. O mesmo acontece com um aquecedor que liga ou

desliga a chama dependendo da temperatura acusada por um sensor.

Uma falha na detecção ou mesmo o mau posicionamento do sensor pode

ocasionar um erro de leitura causando uma situação de risco. Os sistemas de controle

devem ser projetados sempre pensando na segurança do usuário. No caso de uma

Page 37: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

22

pane ou mau funcionamento, eles devem sempre tender ao nível de menor energia e

maior segurança.

Os detectores de incêndio, por exemplo, são os aparelhos do sistema de

detecção que registram, comparam e medem automaticamente a presença e as

variações dos fenômenos do fogo — fumaça, calor, chamas — e que transmitem em

seguida estas informações, em forma de sinais, a uma central que os interpretam.

Os diversos tipos de detectores de incêndio intervêm quando se manifestam

as condições de desencadear o alarme. A fase do incêndio que determina o ponto de

intervenção do detector depende de sua característica construtiva. Neste caso, a

escolha deve ser conduzida pelo projetista de forma a especificar o detector mais

adequado para o ambiente onde vai ser instalado. O tipo potencial de combustão que

ali possa se produzir também deve ser analisado, de modo a combinar os detectores

para atingir um melhor ponto de equilíbrio entre a rapidez de intervenção com um

menor número de falsos alarmes.

Com a evolução e miniaturização destes equipamentos, um número maior de

sensores e atuadores devem ser usados para adquirir informações pertinentes do

usuário ou do ambiente monitorado sem, no entanto, interferir demasiadamente na

decoração ou na fachada arquitetônica. A evolução tecnológica destes componentes

normalmente acarreta também em uma diminuição dos custos de produção e

comercialização ampliando a adoção em ambientes residenciais.

Mesmo para tarefas de pouca complexidade, geralmente um único sensor não

é suficiente para se formar um único modelo do ambiente. Recorre-se então a uma

fusão sensorial2, isto é, a utilização da informação captada por vários sensores.

Devido às diferentes características dos diversos sensores, suas vantagens e

desvantagens, a tarefa de fusão sensorial é extremamente difícil e a informação

advinda nem sempre é consistente. Hipóteses devem ser feitas sobre o modelo e os

resultados analisados posteriormente a fim de validar o comportamento do sistema.

[Adaptado de COSTA, 2003].

2.8 Modos de Interação e Percepção

2 O termo fusão sensorial é comumente utilizado na bibliografia referente à Robótica.

Page 38: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

23

Um dos objetivos de um projeto de uma casa inteligente é manter um nível

adequado de conforto, economizando ao máximo os recursos energéticos e

monetários. Um gerenciador central se utiliza, então, de diversos algoritmos

simultâneos no controle dos diversos sistemas com o intuito de determinar uma

estratégia e o ponto ótimo de funcionamento dos equipamentos. No entanto, mesmo

em um cenário de climatização simples, composto pelo ar condicionado, janelas e

persianas, confronta-se com uma grande diversidade de situações quando são

analisadas as vontades dos usuários. Não interessa quão sofisticado seja o programa

para atender todas as necessidades, ele, de alguma forma, em alguma ocasião, vai

agir de forma inesperada e indesejada, frustrando os ocupantes. Um algoritmo de

auto-aprendizagem teria dificuldades também visto a impossibilidade de se criar um

sistema de treinamento com todas as possíveis situações do dia a dia. Cria-se um

outro problema: quanto maior a complexidade dos algoritmos na tomada de decisões,

menor será a transparência destas decisões para o usuário [Edwards, 2001].

Assim sendo, será introduzido a seguir o conceito de sistemas não coercitivos

que, além de serem menos intrusivos, são implementados mais facilmente em relação

aos apresentados até então.

2.8.1. Sistemas Não Coercitivos

Os sistemas sem coerção diferem dos mencionados anteriormente pelo fato

que sinalizam uma estratégia de mudança para o usuário, mas não efetuam tal

mudança pró-ativamente. Uma luz piscando é um exemplo de sinalização não

intrusiva. Uma vez que o usuário a percebesse, ele seria informado sobre as

condições atuais e lhe seria proposta uma forma de alteração do funcionamento a fim

de economizar energia e dinheiro. . Este método tem muitas vantagens em relação ao

modo pró-ativo:

?? A informação é colocada à disposição do usuário sem interrompê-lo,

permitindo uma argumentação da proposição apresentada pela máquina.

?? As decisões são tomadas pelos ocupantes baseadas em informações parciais

sem confundí- los.

?? Utilização de interface computacional simples.

Page 39: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

24

?? A computação pervasiva pode não apenas motivar um comportamento como

também instruir o usuário no momento que o comportamento é assimilado.

2.8.2. Informações de Caráter Geométrico

A utilização de informações de caráter geométrico é de grande valia em

sistemas onde as interfaces com o usuário não são fixas como o teclado, o mouse e a

tela em um PC convencional. A informação sobre a geometria da residência permite

que o sistema acione diversas interfaces, cada uma para uma particular interação. Por

meio dos parâmetros geométricos de cada ambiente é possível também estabelecer

fronteiras delimitando o campo de atuação de sensores e atuadores e eliminando os

pontos cegos, ou seja, espaços sem monitoramento (Figura 12).

Outros sistemas mais complexos, conhecidos como sistemas de percepção

(descritos adiante), além de rastrear pessoas e objetos dentro da casa, também

prevêem o comportamento do usuário dependendo da sua posição e movimentação.

Acredita-se que com o passar do tempo os computadores irão interagir mais

naturalmente com as pessoas [Demirdjian, 2001]. Assim, no ambiente residencial, a

interação não mais será por chaves, botões ou outros meios convencionais, mas sim

entendendo outras ações humanas como a voz, postura, movimentos e expressões

faciais.

10

10

10

Posição: (x,y,z)Velocidade: (Vx, Vy, Vz)Aceleração: (Ax, Ay, Az)

Figura 12 Informações de Caráter Geométrico

O desenvolvimento de sistema residencial inteligente deve prover algum

mecanismo de informação geométrica que possibilite a implementação de

dispositivos que possam usufruir deste tipo de informação e, por ventura,

Page 40: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

25

disponibilizar um maior conforto ao usuário. Dentre as características mais

convenientes que devam ter tais mecanismos, pode-se listar:

?? Parâmetros físicos para as interfaces com o usuário: quando o usuário se

move dentro da casa, o sistema deve ser capaz de seguí- lo e transferir as

informações necessárias para a interação para a próxima tela e botões de

comando.

?? Sistema simplificado de controle de dispositivos: o sistema deve, baseado nas

informações geográficas do ambiente e na posição do usuário, selecionar

todos os componentes necessários para a realização de um processo. Isso

deve ser transparente ao usuário.

?? Interfaceamento simples: o sistema deve prover uma interface simples,

abstraindo a aplicação, escondendo endereços e nomes de dispositivos.

Nomes configuráveis (“alias”) e imagens devem ser utilizados permitindo

uma interação mais natural.

2.8.3. Sistemas de Rastreamento e Percepção

Muitos cientistas têm direcionado seus esforços no desenvolvimento de

sistemas que possam rastrear pessoas e prever a intenção humana. Permitir uma

interação mais natural entre o homem e o computador não só desencadeia uma

enormidade de aplicações comerciais, como também reduz a distância no processo

de aproximar a máquina do homem.

Tais aplicações baseiam-se no disparo de eventos dependentes das diretrizes

físicas do usuário. Essas diretrizes podem ser a posição (longe da porta, a 2 metros da

TV, etc.), postura (sentado, deitado, etc.) ou mesmo o movimento facial (rindo,

chorando, etc.). Os eventos podem, por exemplo, auxiliar o usuário baseado no

entendimento do seu comportamento, invocar suar preferências de áudio/vídeo em

uma sala ou permitir que a residência inteligente encontre o meio mais próximo de

divulgar uma informação (e-mail, mensagem de voz, etc) (Figura 13).

Error! No topic specified.

Figura 13 Sistemas de percepção e rastreamento

Adaptada de [Pinhanez, 2001]

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26

O termo “percepção”, assim como o já mencionado termo “inteligente”, sofre

de uma utilização demasiadamente comercial, na tentativa de enaltecer as

funcionalidades de simples sistemas sensoriais ou que têm a capacidade de predizer

ações. Neste trabalho, a palavra “percepção” é utilizada como uma capacidade da

residência em se sensibilizar com tênues mudanças das características do ambiente

ou dos usuários e promover modificações baseadas em seu próprio histórico de

funcionamento e gestão. Estas características da residência aqui propostas, permitem

o uso do termo assim como em [COSTA, 2003].

O sistema de percepção aliado a um algoritmo de Inteligência Artificial pode

construir um sistema capaz de predizer as ações dos usuários. Em um primeiro

momento pode parecer que o número de possibilidades de ações seja tão grande que

seria muito difícil que o sistema de predileção acertasse algum ato futuro. Mas, por

meio de avaliações de pós-ocupação, são encontrados padrões de comportamento

baseados em fatores como renda mensal e idade dos usuários [Abiko, 2002] que

podem reduzir drasticamente o domínio das atuações e facilitar o processo de

predileção. A avaliação de pós-ocupação compara usos e preferências dos residentes

com as diretivas prévias adotadas para a construção dos ambientes inteligentes e

auxilia na readequação e na reprogramação dos sistemas domóticos e DIs a fim de

equalizar e personalizar ainda mais a interação entre os usuários e os ambientes

inteligentes.

Uma residência é um ambiente favorável ao desenvolvimento de tais sistemas

pois é um espaço onde se prioriza o conforto. A possibilidade de ter a casa

trabalhando para o usuário e ainda prevendo suas intenções é altamente interessante,

propiciando negócios lucrativos em relação ao desenvolvimento de sistemas e

dispositivos.

Alguns sistemas de rastreamento externos como o GPS (Global Positioning

System) e sistemas de telefonia celular têm sido utilizados em vários cenários,

possibilitando um grande número de serviços baseados na informação de latitude,

longitude e elevação ou através do posicionamento em células, respectivamente. Os

módulos que utilizam a rede de telefonia celular provêm informações de

posicionamento com precisão na ordem de dezenas de metros impossibilitando sua

Page 42: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

27

utilização em residências. Mesmo o GPS, que, normalmente, tem uma precisão da

ordem de unidade do metro não proveria a acuidade necessária.

Outros equipamentos como os transceptores ultra-sônicos ou infravermelhos

podem determinar a presença e por ventura a localização de pequenos identificadores

(tags) presos a pessoas ou objetos de interesse. Esses sistemas permitiriam

representar os alvos de forma planificada, como em um mapa por exemplo. Alguns

empecilhos podem ser notados quanto à adoção deste sistema: haveria também a

necessidade de prender o identificador em cada equipamento, pessoa ou objeto,

dificuldade em integrar com outros sistemas de posicionamento devido à incerteza

gerada pelo processo planificado e a falta de informação geométrica (altitude,

rotação).

10

10

Figura 14 Smart Floor

Outros sistemas utilizam curiosas maneiras para rastrear o usuário. É o caso

do Smart Floor [Orr, 2000] que identifica o usuário e seu posicionamento por meio

da análise das forças empregadas pelas suas pegadas no chão de uma sala

impregnada de sensores de pressão (Figura 14). Ele, segundo seus autores, tem uma

grande margem de acerto na identificação, por volta dos 93%, porém, tal solução

disponibiliza pouca informação para a análise de postura e predileção e é até mesmo

inviável para a utilização em equipamentos.

Diante destes problemas, várias outras técnicas têm sido pesquisadas com o

intuito de superar tais dificuldades e prover um sistema de rastreamento e predileção

confiáveis e comerciais. Surgiram então alguns sistemas de rastreamento baseados na

análise de sinais provenientes de dois ou mais sensores, comumente chamados de

Stereo Tracking. Alguns sistemas [Demirdjian, 2001], [Krumm, 2000] analisam as

imagens de duas câmeras instaladas em um mesmo cômodo, bem como as diferenças

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28

entre as imagens por elas captadas, revelando a posição dos usuários, objetos,

distâncias, pontos geométricos e até reconhecimento de faces e posturas (Figura 15).

É a utilização do mecanismo de imagens estereográficas. Essas informações são

atualizadas automaticamente em um banco de dados que guarda todas as posições e

geometria dos objetos/pessoas presentes em um ambiente.

C

C

Position:Face:

Figura 15 Estereografia

Adaptada de [Pinhanez, 2001]

Outros sistemas se baseiam tanto na aquisição de imagens estereográficas

como também na análise de sons [Checka, 2001]. Um rastreador multi-modal que

explora as duas modalidades (imagens e áudio) é mais robusto e alcança maior

performance em comparação com os modelos que utilizam apenas um único tipo de

sensoriamento. Cada sistema compensa uma fragilidade do outro. Por exemplo, um

rastreador de imagens pode se confundir dependendo da imagem de fundo ou perder

o rastro devido à oclusão. O sistema multi-modal poderia continuar rastreando o

objeto baseado no padrão de som emitido por ele. Por outro lado, a análise da

imagem poderia auxiliar no rastreamento uma vez que o objeto pode parar de emitir

sons ou for mascarado por ruído. Esses sistemas têm inúmeras vantagens como:

?? Não existe a necessidade da implantação de tags (transpônderes agregados ao

corpo do usuário permitindo sua identificação).

?? Permite não só descobrir o posicionamento de pessoas como também

imaginar sua intenção dependendo do seu movimento (andar ou sentar, por

exemplo).

?? Pode identificar os ocupantes reagindo conforme suas preferências

?? Pode ser utilizado para achar objetos em uma sala.

Page 44: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

29

?? Pode ser utilizado para construir um mapa tridimensional do ambiente.

?? Tem precisão menor que um metro.

?? Pode ser utilizado para identificar um objeto, botão ou alto-falante mais

próximo do usuário.

No entanto, esses sistemas ainda funcionam com muitas restrições, em

ambientes preparados (laboratórios) e são muito caros devido à grande carga

computacional que necessitam. Outro grande problema é a intrusão imposta pelas

câmeras na vida dos ocupantes da residência inteligente. Uma tabela comparativa dos

principais sistemas pode ser visualizada abaixo.

Tabela 1 Características dos principais sistemas de percepção e rastreamento

Sistema de

Rastreamento Precisão Complexidade Custo Predileção

Utilização

de tags

GPS Muito baixa Baixa* Baixo Não Sim

Celular Muito baixa Baixa* Baixo Não Sim

Smart Floor Alta Alta Alto Não Não

Stereo

Tracking Alta Alta Muito Alto Sim Não

(*) Quando considerada para o propósito de localização num ambiente interno. Vale

lembrar que foram desenvolvidas com outros propósitos.

2.9 Interface com o Usuário

A infraestrutura de uma residência inteligente consiste em uma grande

variedade de sensores, atuadores, DIs, equipamentos de controle e áudio e vídeo

(A/V) que interoperam de múltiplas maneiras. Deste modo, com o crescimento da

complexidade do sistema como um todo, uma interface de fácil utilização, fácil

compreensão e que permita controlar e supervisionar cada equipamento tem

adquirido grande importância. A interface entre o homem e os equipamentos é uma

das áreas mais sensíveis no que diz respeito à aceitação do conceito de residências

inteligentes. Daí, a necessidade do desenvolvimento de uma interface ideal para

alavancar a construção das residências inteligentes. Uma interface ideal para o

controle doméstico deve ter algumas propriedades inerentes, entre elas [Borodulkin,

2002]:

Page 45: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

30

?? Interação em tempo real.

?? Manipulação direta de objetos virtua is.

?? Capacidade de interoperação com sistemas de percepção multi-modais.

?? Senso de presença e de situação.

?? Reconfigurabilidade.

?? Possibilidade de aprendizado e adaptação.

É muito importante que a interface com o usuário seja de fácil entendimento e

que proveja acesso a todos os DIs de uma residência moderna. Isso requer um grau

de flexibilidade e interoperabilidade que não é encontrado em um computador

pessoal, por exemplo. Por outro lado, interagir com os dispositivos inteligentes deve

ser uma tarefa que não necessita de grandes conhecimentos sobre redes de dados e

lógica computacional. O primeiro motivo seria por muitos usuários não saberem

operar um computador. O segundo seria a necessidade comercial de se produzir

equipamentos do tipo ligue e use (plug & play), prontos para serem usados pelo

usuário comum.

Os maiores problemas encontrados na concepção de interfaces são o

posicionamento da mesma, a quantidade de informação apresentada ao usuário e a

extensibilidade dos comandos. Em uma residência inteligente, os usuários não

devem ir a um lugar especial, por exemplo, a sala de controle para interagir com o

computador. O “controle casual” significa que as interfaces devem estar sempre ao

alcance do usuário, prover todas as informações relevantes e permitir o controle dos

equipamentos sem complicações. Microfones, câmeras, bem como displays, alto-

falantes e outros dispositivos de saída especiais, devem permitir o acesso rápido e

fácil aos controles da residência. O sistema também deve ser escalável permitindo o

crescimento das funções de software e hardware. Se uma TV é colocada na cozinha,

o sistema deve ser capaz de utilizá-la como um novo meio de apresentar informação

e automaticamente tirar as vantagens que ela proporciona.

O posicionamento das interfaces, quer sejam elas botões, joysticks, telas de

toque, pads, alto-falantes, displays ou mesmo botões virtuais, devem sempre estar

próximas ao usuário promovendo um maior nível de conforto, porém de modo não

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31

intrusivo. Outra razão seria a de facilitar a interação de pessoas idosas ou portadoras

de deficiência [Dewsbury, 2001]. Para isso, o sistema de interfaces deve poder

utilizar as informações geométricas e de percepção comentadas anteriormente.

A quantidade de informação disponível e a extensibilidade dos comandos em

uma interface devem ser ajustadas dependendo do tamanho e do tipo da interface

utilizada. Uma interface localizada em um banheiro, por exemplo, pode conter o

controle da temperatura da água para o banho, da música ambiente, pode prover

canais da TV em baixa resolução ou mensagens de voz e até mesmo enviar um sinal

de áudio avisando que o sistema de segurança está sendo ameaçado. No entanto,

acesso rápido à Internet, vídeo de alta qualidade ou um menu completo com acesso a

todos os equipamentos da casa talvez não fossem necessários. O excesso de

informação prejudica a interação confundindo e retardando a tomada de decisões. O

excesso de informação e o controle deliberado podem ser desastrosos na mão de

pessoas não habilitadas como empregados, crianças ou visitantes. Por outro lado, a

escassez pode impossibilitar o controle eficiente dos dispositivos inteligentes.

Cada dispositivo de entrada e saída deve ser cuidadosamente projetado para

permitir uma interação apropriada com o computador mas de um modo não intrusivo.

Os fatores que definem se uma mensagem de voz ou e-mail deve poder acordar o

usuário no meio da noite devem ser estipulados pelo próprio usuário, usando desde

palavras chaves, nos sistemas mais simples, até agentes, em sistemas mais

complexos. Por exemplo, o remetente (pai, mãe, filho) pode ser uma característica

necessária e suficiente para transpor o filtro de intrusão. Num outro caso, o agente de

controle de mensagens deve saber que se qualquer pessoa do trabalho entrar em

contato, ela deve ser direcionada para a caixa de mensagens de voz.

2.9.1. Estado da Arte

Interfaces gráficas têm tido um apelo comercial maior do que interfaces que

utilizam somente texto. As interfaces de texto normalmente operam por meio de

linhas de comando contendo ações e parâmetros cujas funções e valores devem ser

digitados em todos os momentos que se deseja executar um procedimento. Essas

interfaces tendem a cair em desuso devido à grande complexidade dos sistemas

atuais e a falta do senso de situação que estas promovem. As interfaces gráficas

Page 47: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

32

utilizadas atualmente são em sua maioria do tipo WIMP (windows, icons, menus e

point and click). Este tipo de interface, planificada e dividida em níveis, apesar de ser

mais amigável ainda não proporciona um sentimento que remete o usuário para

dentro do ambiente. Clicar em um ícone para acender uma lâmpada é melhor que

escrever comandos em uma tela do tipo, set on lamp34, mas devido ao grande

número de dispositivos, torna-se complicado o gerenciamento de tantos ícones

situados em níveis e sub-níveis.

Em um terceiro nível, mais sofisticado, encontram-se as interfaces virtuais

multi-dimensionais. São interfaces destinadas também para serem utilizadas em

monitores de PC ou telas de toque, nas quais o usuário pode percorrer virtualmente

os ambientes da residência desenhada em três dimensões e comandar remotamente

cada equipamento como se estivesse na frente do mesmo. Deste modo, basta

caminhar pelos diversos cômodos, apontar para o dispositivo que se deseja interagir e

configurá- lo. Alguns modelos têm sido desenvolvidos [Borodulkin, 2002] e o suporte

das atuais linguagens de programação tem tornado tal tarefa simples facilitando

também um ajuste ou modificação da interface em casos particulares (Figura 16).

Residência

Disposivos

Suíte Quarto 1 Quarto 2 Sala de estar

Aquecimento

A/V

Segurança

Controle de Acesso

Multimídia

Internet

Figura 16 Modelos de interfaces WIMP e tridimensional

Um outro modelo de interface que utiliza o conceito de computação pervasiva

é o Everywhere Displays [Pinhanez, 2001]. Consiste de um espelho giratório que

reflete em qualquer ponto do ambiente a imagem de um projetor. Aliado ao sistema

de rastreamento multi-modal, com câmeras e microfones, permite projetar em

qualquer superfície informações provenientes da residência inteligente. Esta imagem

se move conforme o posicionamento do usuário. Este sistema também é utilizado

como interface pois pode projetar também uma seqüência de botões luminosos e

virtuais em uma superfície, cujo toque pode ser detectado pelas câmeras e utilizado

Page 48: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

33

como disparo de um evento qualquer [Pinhanez et al, 2001]. Esse sistema permite

que haja interação sem que o usuário precise se movimentar. Em particular, ele pode

facilitar o acesso a computadores para pessoas com alguma deficiência. Em um

hospital, o paciente pode controlar a altura da cama, mudar o canal da TV, chamar

médicos e enfermeiras sem nenhum contato com qualquer aparelho e sem a

necessidade de se mover, bastando apenas interagir com a imagem da interface

refletida na parede ou na própria cama. No entanto, esse tipo de interface ainda é cara

(câmeras e projetores), requer uma calibração demorada e consome muito recurso

computacional para análise das imagens em tempo real (Figura 17).

ProjetorCone deprojeção

Displayprojetado

Figura 17 Diagrama do Everywhere Displays

Adaptada de [Pinhanez, 2001]

O tipo de interface que se deseja adotar neste trabalho é do tipo

bidimensional, porém que utilize as informações geométricas da planta residencial a

fim de prover ao usuário, mesmo sem os recursos computacionais de síntese

tridimensional de imagens, uma sensação de presença e de situação.

Page 49: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

34

3. REDE DOMÉSTICA

Entende-se como rede doméstica aquela que provê a interligação entre os

equipamentos do assinante, como computadores, DIs e o gateway residencial, como

o cable modem ou modem ADSL (Figura 18). A rede doméstica e os dispositivos

inteligentes representam a nova onda de serviços e equipamentos digitais dos

próximos anos. Eles serão os responsáveis por uma grande mudança na vida de todos

pois possibilitarão o acesso instantâneo a qualquer informação digitalizada do

planeta. Muitas empresas do setor de telecomunicações, automação, computadores e

chips estão se organizando em fóruns e associações para estabelecer uma tecnologia

de redes e protocolos, a fim de suprir as necessidades do uso doméstico. A

velocidade com que esta tecnologia chegará nas mãos dos usuários, talvez seja o

fator decisivo para torná- la um padrão mundial e atender esse imenso mercado.

Dentre os diversos fóruns existentes criados por empresas e instituições interessadas

no assunto, algumas propostas têm sido comuns a todos. Dentre elas destacam-se:

?? Permitir o compartilhamento do acesso à rede do provedor de serviço de

acesso.

?? Permitir a utilização de múltiplos equipamentos.

?? Ser de administração e gerência fácil e simples.

?? Isolar o tráfego interno à residência da rede de acesso.

?? Oferecer suporte a diferentes protocolos de nível superior.

?? Permitir o acesso a diferentes provedores de serviços de acesso.

?? Implementar diferentes classes de qualidade de serviço.

Nos dias atuais, o uso de uma infra-estrutura de rede em um ambiente

doméstico passa mais por uma questão de mudança de hábitos e de interesses do que

de impossibilidades técnicas.

Page 50: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

35

Cabeamento

Ponto deacesso

Dispositivoswireless

PCs, MACs e compatíveis

Áudio evídeo

Dispositivo deautomação e

controle

Câmera

Figura 18 Exemplo de rede doméstica

3.1 Tipos de Redes Domésticas

A tecnologia que envolve o mundo das redes domésticas é nova se comparada

com as redes de computadores que já passam dos trinta anos de idade. Porém o

desenvolvimento de equipamentos e padrões atingiu uma velocidade tão

surpreendente, que muito em breve teremos sistemas robustos e eficazes. A maior

parte da tecnologia das redes atualmente utilizadas em residências advém da

experiência adquirida no mundo corporativo com algumas adaptações. As redes

cabeadas são ainda mais baratas e seguras que as sem fio mas esse panorama tem

mudado gradativamente com o surgimento de novos equipamentos sem fio mais

confiáveis e robustos. As redes sem fio são muitas vezes utilizadas no ambiente

residencial pelo fato de não promoverem quebra de paredes e outros transtornos. Mas

requerem um maior controle por parte do usuário com relação à intrusão e esquemas

de segurança.

3.1.1. Topologia

No sentido mais amplo, redes domésticas são interconexões de equipamentos

eletro-eletrônicos de uso residencial por um meio que possibilite a troca de dados

entre eles. As redes domésticas permitem a troca de informações, acesso a recursos

computacionais e disponibilizam a comunicação on- line. A estrutura típica de uma

Page 51: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

36

rede é hierárquica e baseada em clusters3, sendo que em uma residência pode-se ter

mais de um cluster por andar ou até mesmo um por ambiente.

3.1.2. Heterogeneidade

Em um ambiente doméstico, diferentemente do mundo corporativo, existem

diversos sistemas interagindo diretamente com o usuário com o propósito primordial

de satisfazer as suas necessidades e preferências. Esses inúmeros formatos de

comportamento também se refletem nos diversos modelos de redes que compõem a

rede doméstica. Sistemas integrados de áudio e vídeo requerem transmissões de alta

velocidade com controle de qualidade de serviço. Já os dispositivos de controle não

necessitam de redes tão velozes, mas que sejam confiáveis e robustas.

Ainda é longo o caminho que levará à utilização de apenas um modelo de

rede universal que cumpra todos os requisitos de funciona lidade, velocidade,

segurança, robustez e custo. Por outro lado, a utilização de diversos modelos de redes

de transmissão de dados em um único ambiente encarece a instalação de novos

sistemas e introduz a necessidade de gateways que possibilitem o interligamento e a

troca de dados entre as redes. Todos estes entraves diminuem a velocidade na adoção

dos sistemas de controle e entretenimento doméstico e no desenvolvimento dos

dispositivos inteligentes.

No entanto, de uma forma ainda incipiente, muitas companhias que atuam no

ambiente corporativo estão redirecionando suas forças para o imenso mercado

residencial que cresce a cada dia. Em breve, com a introdução dos DIs, haverá uma

grande demanda por transmissão de dados entre estes componentes fomentando o

desenvolvimento de sistemas de transmissão especialmente dedicados a eles e ao

ambiente residencial.

3.2 Compartilhamento do Acesso

A rede doméstica não deverá operar de forma isolada do resto do mundo,

muito pelo contrário. No entanto, em um futuro próximo, as redes domésticas ainda

não estarão ligadas diretamente nas redes WANs (Wide Area Network) como a

3 Cluster é o termo em inglês mais usado no meio técnico, representando a idéia de “conjunto de equipamentos

interconectados”. A tradução direta seria “agrupamento”.

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37

Internet. Um aproveitamento maior e mais seguro desta interconexão se dará por

meio de gateways operados por agentes inteligentes administrando conteúdo,

automação e tráfego com o mundo externo. O real benefício de tal integração, além

da habilidade de acessar remotamente as funcionalidades da casa, é a habilidade da

casa em acessar serviços e informações que melhorem seu próprio funcionamento

através da cooperação dos inúmeros dispositivos inteligentes nela instalados.

O provedor de serviço constantemente estará enviando e recebendo dados da

rede doméstica efetuando, por exemplo, o download de músicas, filmes, controlando

os DIs, realizando a leitura de água, gás, telefone e energia on-line, etc. Porém, não

seria seguro, nem prático permitir o acesso de todos os dispositivos à rede de dados

externa. Imaginando-se que, em breve tenha-se um grande número de dispositivos

em uma residência, há a necessidade de se estabelecer uma identificação para cada

um, globalmente. Sendo assim, a porta de entrada para todos estes dados seria

composta por um gateway residencial cuja função pode ser realizada por um cable

modem, um roteador, etc. (Figura 19). Esse fato, além de não divulgar o tráfego

interno da residência do usuário, viabilizando possíveis quebras de sigilo, não

sobrecarrega a rede de acesso com tráfego que deveria ser apenas interno às

residências.

LAN

HUB

Gateway Modem InternetWAN

PC

Telefone

DispositivoInteligente

TV

Figura 19 Compartilhamento de acesso com gateway

O gateway faz o roteamento para a rede de acesso apenas do tráfego que deve

necessariamente ser para ela encaminhado. Caso o usuário tenha adquirido apenas

um acesso (ou um único endereço IP), outros computadores da rede interna também

possam se comunicar com a rede externa. Já existem produtos disponíveis no

mercado que, além de implementarem esse serviço de compartilhamento de acesso,

Page 53: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

38

disponibilizam outras funcionalidades de segurança, proteção contra intrusos e

antivírus, etc.

3.3 Serviços e Aplicações

Embora o ITU defina serviço e aplicação separadamente, sua caracterização é

muito voltada para o ambiente de redes de computadores. Neste trabalho, a palavra

“serviço” é utilizada de modo mais amplo estendendo-se a todos os processos que

viabilizam os sistemas domóticos. O setor de serviços engloba dois diferentes níveis

[O´Driscoll, 2001]:

?? Serviços de rede;

?? Serviços agregados.

O primeiro trata dos serviços reais que podem ser prestados ao usuário final e

que dependem da tecnologia adotada, da necessidade e das pré-disposições

financeiras. São eles que geram riquezas, movimentam o mercado de tecnologia e

provêem conforto e status:

?? Internet de alta velocidade e segura, transferência de arquivos, e-mail;

?? Telefonia comum com a possibilidade de envio e recebimento de mensagens

de fax e videotelefonia;

?? Automação predial: manutenção, controle e vigilância remotos de sistemas

incluindo eletro-eletrônicos (refrigeradores, ar-condicionado, aquecedores,

etc.), detectores de fumaça e enchentes e alarmes de incêndio;

?? Segurança patrimonial: sistema completo de vigilância com câmeras,

controles de acesso, mensagens de alarme e gerenciamento remoto;

?? Saúde: monitoramento de pessoas doentes, deficientes, crianças ou qualquer

outra que necessite de cuidados regulares, telemedicina;

?? Medições diversas (gás, água, luz) em tempo real, contas detalhadas, controle

de cargas, cortes de energia remotos e utilização racional da energia;

?? Serviços de informação pública: procura, organização e filtragem de

conteúdo específico para o perfil do usuário (jornais, classificados);

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39

?? Serviços de informação segura: documentos on-line, home-banking,

transferência de dinheiro digital, registros médicos, comércio eletrônico;

?? Serviços de entretenimento: transmissão digital de TV, vídeo sob demanda,

áudio sob demanda, música, jogos;

?? Trabalho em casa, educação à distância.

Os serviços agregados são serviços de apoio ao funcionamento da rede como

um todo e podem ser prestados pela companhia que implementa a rede física, pela

provedora de serviço ou por terceiros conforme as regulamentações do setor (Figura

20). Pode-se destacar três protagonistas destes serviços:

?? Agentes;

?? Integradores;

?? Administradores.

Os protagonistas são essenciais devido às funções que exercem na cadeia de

serviços e agregam os recursos necessários para a execução de tais funções. Dentre

eles os recursos humanos, computacionais e corporativos.

3.3.1. Agentes

Os agentes aumentam a eficiência dos serviços prestados pelos dive rsos

provedores de conteúdo, personalizando e agregando valor ao mercado. São

inúmeras as maneiras com que estes agentes podem agir, oferecendo uma maior

variedade de produtos a preços menores, devido ao contato direto com os

fornecedores. Os agentes funcionam como “clube de descontos”: paga-se uma

quantia mensal e obtém-se uma linha de “produtos” mais adequadas ao perfil do

usuário. De certa forma, as companhias de TV por assinatura e os grandes portais de

compras realizam esta função atualmente.

3.3.2. Integradores

Esta categoria de serviço agrega valor às funções da rede doméstica e seu

controle e gerenciamento de modo remoto. Gerencia a automação dos DIs e o

controle ou supervisão das pessoas. Por exemplo, a companhia fornecedora de gás

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40

poderia ter acesso ao medidor em tempo real e vender um serviço de gerenciamento

de energia ou detecção de vazamentos on- line como atrativo de mercado.

Serviços prestados pelos integradores:

?? Autenticação e segurança da rede;

?? Automação de dispositivos;

?? Telemetria;.

?? Detecção de status da rede e de dispositivos;

?? Gerenciamento de energia.

Administrador

Provedor de rede

Provedor deserviços

Consumidor

Agente

Integrador

Figura 20 Modelo de negócios do ITU

Fonte: [O´DRISCOLL, 2001]

3.3.3. Administradores

Os serviços dos administradores incluem qualquer atividade de manutenção e

gerenciamento que facilitem a vida do usuário. A primeira função é de mascarar a

complexidade da tecnologia da rede doméstica e de toda a manutenção desta rede. Os

integradores e os administradores irão compor a plataforma de serviços necessários à

nova geração de casas inteligentes. A seguir, a lista de serviços prestados pelos

administradores:

?? Administração operacional e suporte técnico;

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41

?? Manutenção dos dispositivos e serviços;

?? Otimização da rede e gerenciamento de banda;

?? Configurações remotas e manutenção de rede.

3.4 Questões Sobre a Rede Residencial

A arquitetura de uma rede residencial apresenta novos desafios que a

indústria de redes ainda não teve que enfrentar. Quatro vertentes direcionam a

aplicação desta arquitetura:

?? Variância de estrutura;

?? Variância de uso;

?? Sistema cliente-servidor dinâmico;

?? Necessidade dos consumidores.

3.4.1. Variância de Estrutura

Enquanto a tecnologia da rede de acesso pode variar entre poucas soluções, os

dispositivos, serviços e tipos de rede interna irão variar conforme a necessidade do

usuário. Por isso, a padronização se torna tão latente. É importante se estabelecer

sistemas robustos e ao mesmo tempo flexíveis do ponto de vista de

interoperabilidade e interconectividade, pois irão conviver em ambientes diversos e

numa infinidade de combinações e configurações.

3.4.2. Variância de Uso

Não apenas o número e o tipo de dispositivos vão variar, mas também o modo

como a residência inteligente vai se comportar é muito particular. Ambientes

comerciais têm um padrão de utilização para o meio digital. Normalmente, são

pesquisas na Internet, acesso a bancos de dados, e-mails e compartilhamento de

arquivos.

No entanto, a próxima geração de redes domésticas terá o seu padrão de uso

muito mais complexo e imprevisível. Várias empresas terão acesso à rede do usuário,

atualizando os softwares dos dispositivos, diagnosticando o sistema remotamente,

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42

recebendo dados dos equipamentos, transferindo conteúdo digital como um filme

para a HDTV. Acima disso tudo, deve haver uma aplicação que gerencie todas as

conexões, identificando-as, criando um histórico das autenticações, impedindo

ataques e infiltrações indesejadas.

3.4.3. Sistema Cliente-Servidor Dinâmico

A estrutura da rede doméstica é composta por diversos tipos de dispositivos

com diferentes níveis de inteligência . Uma primeira estrutura cliente-servidor é

notada: o servidor de aplicações e o gateway residencial como cliente. As relações

cliente-servidor são particulares para cada conexão. Alguns dispositivos podem

desempenhar as funções como o gateway, recebendo o conteúdo do servidor de

aplicações, memorizando-as, tratando-as e repassando-as aos outros DIs. Quando o

sistema está em modo de funcionamento horizontal, as informações são trocadas

dentro da rede interna, comportando-se como um ambiente peer-to-peer. A topologia

vai ser definida pelo integrador do sistema que analisará a melhor configuração para

a necessidade do usuário.

A fim de se criar um sistema redundante com uma arquitetura multi-nível,

deve-se separar a informação da mídia, a fim de torná- la disponível em qualquer

ambiente distribuído. Neste caso, este tipo de arquitetura é mais eficiente porque

reduz o tráfego desnecessário, desafogando um possível gargalo na Internet ou

mesmo na infra-estrutura residencial. Várias arquiteturas estão sendo propostas, mas

ainda não há um layout definitivo. Todavia, com o surgimento de ferramentas

analíticas de desempenho, é possível criar um esboço de arquiteturas adequadas para

estes sistemas.

3.4.4. Necessidades dos Consumidores

A rede residencial deve assumir alguns conceitos pré-existentes na vida de

cada usuário em particular. Não existe uma lei que defina como uma rede deverá

trabalhar e quais serviços irá desempenhar. A rede residencial tem como premissa

auxiliar as tarefas do home office e também prover a arquitetura necessária para o

entretenimento, sendo de fácil uso e baixa complexidade. Com o contínuo e

crescente processo de digitalização de informações referentes ao usuário, de caráter

privado ou não (fotos de família, documentos, agendas, imagens das câmeras de

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43

segurança, programação dos equipamentos de automação, arquivo de músicas,

filmes, etc.), a rede deve se mostrar segura e confiável, provendo mecanismos de

controle de acesso, identificando e diferenciando cada membro da família,

permitindo a implementação de diversos níveis de gerenciamento e controle.

Existe uma preferência do mercado por sistemas plug and play, escaláveis e

compatíveis com os padrões industriais. A possibilidade de integração de qualquer

dispositivo à rede, independente da marca, modelo ou fornecedor, é um grande apelo

de mercado. Conforme mencionado anteriormente, sistemas sem fio (wireless) são

sempre bem vistos mercadologicamente. Apesar das restrições de segurança, eles

agregam valor aos sistemas mais antigos, não adicionam novos cabeamentos e

garantem mobilidade ao usuário. Estas são algumas vertentes que estão delineando a

criação das redes domésticas segundo as maiores empresas mundiais especializadas

em marketing digital.

No entanto, muitas dúvidas sobre o funcionamento das redes domésticas e

dos DIs ainda estão para serem respondidas. Algumas delas são:

?? Compartilhamento do acesso: não serão poucas as residências que terão mais

de um equipamento ligado à rede de acesso. Deverão fazer parte dessa rede

mais de um aparelho telefônico, possivelmente mais de um computador,

diversas televisões e eletrodomésticos inteligentes. Os equipamentos poderão

ter mais de um endereço na rede? Uma residência poderá também

disponibilizar serviços na Internet?

?? Compartilhamento de dados e periféricos: quais dispositivos deverão ser

compartilhados na rede interna? Como será a troca de dados entre eles?

?? Repetidores e cabeamento: qual é o cabeamento mais discreto possível?

?? Utilização de sistemas wireless: o custo dos aparelhos compensa a redução da

mão de obra de instalação? E quanto à segurança?

?? Existe uma arquitetura que disponibilize todos os serviços de redes,

automação e áudio/vídeo? Os diversos sistemas adotados são interoperáveis?

?? Como deverá ser o controle de acesso ao meio? Como estipular um parâmetro

razoável para a qualidade de serviço (QoS) que vem a ser necessária para

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44

determinadas aplicações, como, por exemplo, distribuição de vídeo digital,

videoconferência e telefonia?

?? Pilha de protocolos: que protocolo será necessário? Como interligar diversos

modelos de redes?

?? Taxa de transmissão disponível: como deve ser o cabeamento e o controle de

acesso ao meio para viabilizar as taxas necessárias às aplicações?

?? Complexidade de instalação e administração: a maioria dos usuários não

disporá de conhecimentos técnicos necessários às complexas tarefas de

instalação, gerência e administração dos equipamentos. O fato de o hardware

ser plug and play é suficiente?

A utilização de processos de simulação computacional visa esclarescer

algumas dessas dúvidas. Em uma primeira etapa, a interação homem-simulador

fornecerá meios para que seja possível o estabelecimento dos pontos críticos,

permitindo aos desenvolvedores de equipamentos e serviços observar previamente o

comportamento das residências inteligentes tanto no âmbito humano como no

tecnológico.

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45

4. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL

A automação residencial, através da utilização de dispositivos eletrônicos e

redes de dados, possibilita o controle remoto de equipamentos e a automatização de

processos em uma residência. Ela é capaz de melhorar o estilo de vida dos

moradores aumentando o conforto, segurança e eficiência energética. A automação

residencial engloba iluminação, entretenimento, segurança, telecomunicações,

climatização e sistemas de áudio e vídeo. Pode-se dizer que a automação residencial

e a Domótica estão interligadas assim como a automação industrial está com a

Robótica (Figura 21).

Error! Not a valid link.

Figura 21 Conexão entre Robótica e Domótica

Construir uma residência inteligente pressupõe o planejamento de temas que

até hoje não se observavam. Muitas variações de projetos têm surgido, considerando

a otimização do consumo de recursos energéticos ou as novas tendências

arquitetônicas. Mas, as perspectivas oferecidas pelas novas tecnologias da

informação são as que realmente têm proporcionado mudanças efetivas no modo de

projetar e construir as casas do futuro. Dentre essas mudanças, destacam-se:

?? Organização dos sistemas de informática;

?? Gerenciamento dos sistemas de controle da residência;

?? Configuração das redes interna e externa de comunicações;

?? Integração dos novos serviços de valor agregado;

?? Adaptação da rede aos vários moradores;

?? Conexão aos serviços públicos de telecomunicações;

?? Possibilidade de grande flexibilidade nas mudanças;

?? Organização do espaço interno e externo com a introdução de novos

equipamentos e dispositivos.

O fator econômico pode marcar o limite da sofisticação a atingir.

Paralelamente, pode ocorrer desperdício quando não há adequação entre a tecnologia

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46

e o problema que se pretende resolver. A introdução de sistemas de automação

residencial visa trazer mais conforto ao usuário com significativa redução do

consumo de energia e recursos naturais. Assim sendo, cada ambiente deve ser

projetado com o intuito de promover uma convivência natural e pacífica entre o

usuário e a tecnologia, sem imposição. A tabela abaixo mostra de uma forma

coerente a situação atual e a proposta, com os resultados que se pretende obter:

Tabela 2 Situação atual e proposta

Situação atual Situação proposta

instalações independentes: multiplicidade

de redes e cabos

integração dos serviços: redução no

custo de equipamentos e processos

redes não compatíveis: manutenção cara e

complicada

centralização de sistemas: melhoria no

controle e administração da residência

falta de uniformidade: impossibilidade de

automatização global

automação de residências: maior

conforto e segurança, mecanização de

serviços

equipamentos limitados: dificuldade para

integrar novos serviços e interligar redes,

dependência do fornecedor, ampliação do

uso de "adaptadores" e obsolescência a

curto prazo

eletrodomésticos inteligentes: acesso à

informação de qualquer ponto da casa,

economia de energia, simplificação da

rede, melhoria em manutenção

monitoramento remoto de pessoas e

equipamentos: diminuição do tempo de

resposta à avaria ou alarme

auditoria e controle de gastos:

constante supervisão do conjunto

Com o controle programado da iluminação e de todo o funcionamento da

casa, obtém-se o uso eficaz e racional dos equipamentos, sem o comprometimento do

conforto dos usuários da residência. O sistema de gerenciamento condiciona de

forma muito abrangente a residência, permitindo o controle e a coordenação dos

diversos serviços. A organização da casa inteligente permite vantagens consideráveis

para enfrentar uma situação atual muito diferente dos tempos em que os baixos

Page 62: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

47

custos e alta disponibilidade da energia permitiam uma atividade descuidada em

relação ao consumo.

4.1 Histórico

A noção de automação para prédios e residências inicialmente foi baseada na

industrial, bem conhecida e difundida a mais tempo. Porém, em virtude da diferente

realidade entre o uso dos dois tipos de arquiteturas, têm sido criadas tecnologias

dedicadas para ambientes onde não se dispõe de espaço para grandes centrais

controladoras e pesados sistemas de cabeamento. Em uma residência, no entanto, não

são necessárias as complexas lógicas e dispositivos que controlam pesados processos

de produção, mas em contrapartida surgem diversos tipos de interfaces,

equipamentos, configurações e a necessidade de gerenciamento de tráfego como o

multimídia (centenas de Mbps, em rajadas) até o tráfego de telemetria (dezenas de

bps, constante).

O desejo de automação em projetos de pequeno e médio porte com

características comerciais ou residenciais começou a surgir na década de 80 quando

companhias como a Leviton e X10 Corp. começaram a desenvolver sistemas de

automação predial já no ano de 1996. Com o grande número de aplicações e

oportunidades geradas pelo computador pessoal, pelo surgimento da Internet e pelo

barateamento do hardware, criou-se uma nova cultura de acesso à informação

digitalizada. Esses fatores permitiram elevar o projeto elétrico de seu nível

convencional para um nível onde todas as suas funções desenvolvidas estejam

integradas e trabalhando em conjunto. Por mais moderno que possa ser um sistema

de iluminação, aquecimento ou um eletrodoméstico, se ele trabalha sem se integrar

com o restante, ele é apenas mais um equipamento dentro de casa.

Existem hoje no mercado, sistemas que oferecem uma gama completa de

recursos e cada usuário pode escolher a programação que atenda melhor às suas

necessidades. Agregar e alterar funções aos equipamentos de segurança, de home

theater e todos os eletrodomésticos da casa são algumas dessas programações. Todos

os dispositivos podem ser acionados pela mesma interface, seja ele um controle

remoto, telefone ou voz. Podem também, ativar a programação assim que

identificarem o usuário ou receberem ordens pelo telefone simulando alguém em

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48

casa, acendendo uma luz ou abrindo as persianas. O equipamento de segurança pode

emitir avisos sonoros e visuais ou discar os números dos serviços de emergência

quando detectar algum intruso ou qualquer outro tipo de perigo.

As características fundamentais que devemos encontrar num sistema

inteligente são:

?? Capacidade para integrar todos os sistemas – os sistemas interligados por

meio da rede doméstica devem possibilitar o monitoramento e o controle

externos, bem como atualização remota de software e detecção de falhas.

?? Atuação em condições variadas – o sistema deve ser capaz de operar em

condições adversas (clima, vibrações, falta de energia) e prover múltiplas

interfaces para os diferentes usuários, segundo o entendimento tecnológico,

idade, etc., bem como auxiliar portadores de deficiência.

?? Memória – o sistema deve ser capaz de memorizar suas funções princ ipais

mesmo em regime de falta de energia, deve possibilitar a criação de um

histórico das últimas funções realizadas e prover meios de checagem e

auditoria destas funções.

?? Noção temporal – o sistema deve ter a noção de tempo, bem como dia e noite

e estações climáticas a fim de possibilitar a execução de processos e

atividades baseadas nestes aspectos.

?? Fácil relação com o usuário – o sistema deve prover interfaces de fácil acesso

e usabilidade pois os usuários detém diferentes níveis de instrução e

entendimento sobre novas tecnologias.

?? Facilidade de reprogramação – o sistema deve permitir a fácil de

reprogramação dos equipamentos e prover ajustes pré-gravados em casos de

falha ou mau funcionamento.

?? Capacidade de autocorreção – o sistema deve ter a capacidade de identificar

uma seleção de problemas e sugerir soluções.

Automatizando os sistemas, consegue-se um aproveitamento melhor da

luminosidade ambiente, controlando luzes e persianas e mantendo sempre a

temperatura ideal, mas sem desperdício. Por controlar corretamente o funcionamento

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49

dos equipamentos da residência, obtém-se uma redução no consumo de energia. Um

ambiente inteligente é aquele que otimiza certas funções inerentes à operação e

administração de uma residência ou edifício. Estabelecendo uma analogia com um

organismo vivo, a residência moderna parecerá ter vida própria, com cérebro e

sentidos.

4.2 Convergência de Padrões

A convergência dos diversos sistemas inteligentes permite tornar a residência

um centro de lazer e entretenimento. Onde antes existiam apenas uma TV e um

videocassete, hoje há elaborados sistemas de automação residencial, que estão

ficando cada vez mais acessíveis. Iluminação e sonorização de diversos ambientes

podem ser controladas por um número crescente de dispositivos, tais como controles

remotos e painéis de embutir, muitas vezes equipados com vistosos displays

coloridos. Estes controles possuem interfaces que vêm se tornando progressivamente

mais amigáveis, permitindo que todos em casa operem o sistema. Os equipamentos

atuais possuem dezenas de conexões de áudio e vídeo, dos mais variados tipos: RCA

para áudio, vídeo composto, vídeo componente, mini-DIN para S-Vídeo, conectores

óticos para áudio e vídeo e muitos outros. Porém, na hora de conectar os novos

aparelhos inteligentes, para que haja transferência de dados entre os aparelhos,

utiliza-se uma conexão padrão, apenas uma.

CompatibilidadeConvergência

Residência Inteligente

Mini - DIN

FireWire

USB

S-Video RJ 11

RJ45

RCA

IEEE 802.11

Figura 22 Convergência de padrões

Nos sistemas de automação, nos quais há mais interação entre os

equipamentos, as conexões seriais se fazem presente. Os fabricantes vêm se

preocupando em lançar equipamentos que tenham conexões seriais para integração

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50

com sistemas de automação. Muitos modelos de receptores (receivers),

processadores e projetores têm conexões deste tipo, permitindo a execução de

comandos conjuntos. O avanço das soluções multi-sala (multiroom) e automação

abriu espaço para outros padrões de tráfego de dados, mais rápidos e eficientes.

Alguns componentes podem ser conectados com o sistema USB e outros com o

padrão Ethernet, que tem sido bastante usado por equipamentos de automação

doméstica. Muitos projetistas já planejam novas instalações utilizando conectores

RJ-45 (presente em conexões de rede de computadores) e cabos do tipo par trançado

(UTP-5) que permitem o tráfego de uma quantidade maior de informação, incluindo

vídeo e áudio, o que é perfeito para o processo de convergência.

4.3 Centralizando o Sistema

Um fator a ser considerado quando se decide instalar um sistema de

automação residencial é designar um espaço para absorver todo os equipamentos e

prover o cabeamento adequado a todos os pontos da residência. Um ambiente de 2

metros quadrados, conhecido como sala de controle (central wiring closet), seria

ideal para acomodar tudo, mas muitos não têm condições de reservar um espaço

destes para tal função. Deste modo, pode-se utilizar um rack para acomodar os

equipamentos e uma caixa, semelhante à de disjuntores, com todos os conduítes para

distribuição dos cabos. Com isso, modems, hubs, moduladores de vídeo,

amplificadores de áudio, sensores e emissores de infravermelho, acopladores de

impedância, equipamentos de segurança e de automação e controle ficarão

organizados e dispostos em um único local.

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51

Rack

? DVD

Figura 23 Rack de equipamentos

Qualquer que seja o local escolhido, este deve ter iluminação e ventilação

adequadas, longe de pó e umidade, com tomadas para a alimentação dos aparelhos e

ligação com a caixa externa por onde entrarão os cabos de telefone, TV a cabo, etc.

Alguns sistemas como os de alarme, áudio e controle remoto ainda não são fáceis de

se integrar com o resto dos equipamentos. O sistema de segurança normalmente

utiliza sua própria fiação, possibilitando apenas uma integração com o sistema

telefônico para monitoramento. Muitos equipamentos de áudio não vêm com um

sistema de distribuição de caixas acústicas para que se possa ouvir o som em todos os

ambientes. Em relação ao sistema de infravermelho, poucos são os aparelhos que

permitem o transporte do sinal de IR por cabos coaxiais ou fios de telefone para o

comando remoto dos equipamentos situados no rack central.

Dos sistemas domésticos, os sistemas mais suscetíveis à integração são o

telefônico e o de redes de computadores. Os sistemas telefônicos permitem que o

usuário acesse várias linhas telefônicas de qualquer aparelho da casa, tenha

diferentes toques para cada membro da família, utilize o viva-voz, etc. Funcionam

também como intercomunicadores, porteiro eletrônico integrado e podem transferir a

chamada para outros ambientes ou para a secretária eletrônica silenciosamente.

Uma casa inteligente permite que você tenha acesso a todos os sistemas

mencionados em qualquer ponto da casa, controle as luzes, realize o agendamento de

tarefas, assista a programas de vídeo em qualquer cômodo, visualize as crianças

brincando enquanto assiste à TV ou navega pela Internet, não tendo a necessidade de

comprar um conjunto de equipamentos para todos os ambientes.

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52

4.4 Integrador de Sistemas Residenciais

Com o advento das redes domésticas e dos inúmeros sistemas de controle

residenciais, houve a necessidade da qualificação de um profissional que atendesse

as exigências do novo mercado possibilitando a criação, o desenvolvimento e a

implantação dos sistemas domóticos. Em muitos casos, esse profissional iniciou sua

carreira trabalhando em automação industrial desde o hardware básico até o

gerenciamento de projetos e implantação de sistemas. A entrada no setor predial foi

motivada pela necessidade de definir um nicho de mercado em que pequenas

empresas pudessem atuar sem enfrentar a concorrência das grandes firmas de

engenharia. O mercado de automação predial, carente de projetos e mão de obra

especializada, abria espaço apenas para tecnologia vinda do exterior e específica para

o setor hoteleiro e de centros de compras (shopping centers). Os sistemas e

equipamentos utilizados até então, provenientes do ambiente industrial, eram

adaptados para o setor predial. Com o crescimento do mercado de automação

residencial surgiram os sistemas dedicados e a necessidade da qualificação de um

novo segmento de profissionais: o integrador de sistemas residenciais.

Os profissionais envolvidos em um projeto variam conforme o que se deseja

alcançar. Caso o usuário deseje obter informações sobre um equipamento de home

theater, um especialista no assunto pode auxiliá- lo, mas muitos não necessitam ou

não querem se valer desta ajuda. Mas para projetos maiores envolvendo novas

construções e reformas é indispensável e às vezes obrigatório, por imposição de leis

locais, a presença de um profissional qualificado. Devido à enorme gama de

tecnologias, marcas e modelos, a adoção e implantação do sistema de automação e

redes residenciais se tornam complexas. Neste momento, é necessária a participação

do integrador de sistemas residenciais, que deve estar presente desde a concepção da

nova moradia até o ajuste final e equalização de todo o sistema. É ele quem projeta,

coordena os outros profissionais, auxilia na escolha dos equipamentos, acompanha a

instalação e até mesmo presta serviços de manutenção e atualização. Para projetar de

maneira eficiente, o profissional precisa conhecer toda essa gama de opções

disponíveis, identificando as necessidades e limitações do usuário e agregando todos

os elementos para um projeto de sucesso.

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53

Existem quatro regras a serem seguidas para o sucesso dos candidatos a integrador de

sistemas residenciais:

?? Assimilar os requisitos e objetivos a atingir: o integrador deve conhecer as

pessoas envolvidas na execução da obra: o usuário, o mestre de obra, os

fornecedores de materiais, a empresa responsável pelos equipamentos e

demais profissionais que podem causar um entrave na execução do projeto.

Cada um destes grupos tem necessidades conflituosas. É da responsabilidade

do integrador identificar todas as necessidades e limitações, de forma a

otimizar as relações, integrando-os na gestão e no processo de

desenvolvimento do projeto. As novas tecnologias e os novos métodos de

trabalho causam muitas divergências no dia-a-dia de uma obra;

?? Compreender a tecnologia: o integrador deve conhecer todas as tecnologias

disponíveis e estar atualizado. Isto é um processo sem fim, pois surgem novos

conceitos e equipamentos a cada minuto. Atualmente, existem vários sistemas

inteligentes disponíveis para serem utilizados em residências e edifícios

comerciais e é função do integrador aplicar o equipamento adequado à

necessidade do cliente;

?? Pesar os prós e os contras: o integrador deve basear a sua escolha em critérios

pré-estabelecidos tais como limitações de custo e necessidades. Deverá ser

capaz de compreender as tendências da tecnologia e reconhecer quando um

sistema se torna obsoleto ou inflexível ao longo do tempo;

?? Identificar as escolhas tecnológicas criativas: o integrador deve direcionar seu

projeto a fim de criar ou aumentar as perspectivas e oportunidades a todos

aqueles que o irão utilizar.

A Figura 24 exemplifica como as camadas de uma rede doméstica trabalham

conjuntamente. No centro, o integrador de sistemas residenciais é o responsável pela

harmonia e interoperabilidade de todo o conjunto.

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54

Eletrodomésticos

Telefonia

Áudio / Vídeo

Segurança

Iluminação

Climatização

Rede física

Protocolos

Integrador

Entretenimento

Informática

Figura 24 Conceito de automação residencial

Fonte: [AURESIDE, 2004]

4.5 Readaptação de Ambientes

Um projeto de automação pode ser melhor dimensionado e aproveitado

quando previsto na fase inicial da construção do imóvel. No caso de reformas,

equipamentos sem fio e um bom planejamento permitem que várias funções sejam

implementadas com o mínimo de cabeamento possível. Com um projeto bem feito,

residências e prédios antigos podem atingir condições de supervisão e controle,

otimizando recursos e consumo de forma similar aos empreendimentos novos.

Hoje em dia, observa-se uma forte tendência à reabilitação de velhas

edificações, algumas de caráter histórico, introduzindo-lhes sistemas de dados e

telecomunicações avançados. Entretanto, se compararmos com o tipo de intervenção

realizada nas construções mais recentes, as antigas edificações necessitam de um

grande conjunto de mudanças para integrar os novos equipamentos. Um dos

problemas é que as novas instalações requerem espaços que não foram previstos na

maioria destas edificações, obrigando o integrador a procurar soluções para integrar

estas instalações sem aumentar muito o custo da implantação e sem alterar o estilo

arquitetônico local.

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55

Alguns conceitos básicos de readaptação4 para implantação de automação,

segurança e cabeamento são descritos a seguir:

?? Levantamento - No início das atividades deve ser efetuado um estudo

detalhado da casa ou do prédio, avaliando todos os equipamentos e sistemas

instalados. Com base nos levantamentos efetuados e nas funções definidas

para serem automatizadas, define-se para cada item o nível de automação, a

segurança a ser implementada e as condições a serem obedecidas pelo

sistema de informações.

?? Comunicação entre subsistemas - É necessário que sejam definidas as

interfaces entre os vários subsistemas a serem implantados, especificando

sistemas baseados em padrões internacionais e nacionais e, sobretudo, na linha

de ação usualmente adotada no setor predial ou residencial.

?? Interface com os equipamentos existentes – O processo de readaptação

engloba o estudo da necessidade e a execução da alteração dos quadros de

comando dos equipamentos já instalados para que possam ser conectados aos

novos controladores e integrados ao sistema. No caso de controle por PCs,

deve-se indicar no processo de readaptação as necessidades de hardware e

software para a integração destes dispositivos ao sistema de automação.

?? Documentação do novo sistema - Todas as modificações, seja no processo de

planejamento, seja após a finalização da obra, devem ser descritas em um

memorial descritivo detalhado com diagramas em bloco, listas completas de

pontos de supervisão e controle, funcionamento dos sensores e atuadores,

funcionamento do sistema de incêndio e segurança e descrição da interligação

com os sistemas antigos.

?? Plantas e desenhos – Detalhamento técnico, se possível, evidenciando por

meio de desenhos e plantas a arquitetura utilizada, o mapa do cabeamento,

detalhes da sala de controle (wiring closet) e racks, os subsistemas

específicos (detecção de fumaça, circuito fechado de televisão) e a

conexão com equipamentos de supervisão e controle.

4 Existe o termo em inglês, retrofitting que é muito utilizado nas diversas bibliografias consultadas.

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56

A grande maioria das residências já construídas não costuma ter forros

removíveis, o que dificulta bastante a passagem dos cabos, ainda que não o

impossibilite. Deste modo, devem ser estudadas todas as alternativas possíveis, como

forros de gesso, pisos elevados, canaletas, que se constituem numa solução eficaz,

mas que nem sempre se confundem com a decoração existente. Quanto ao efeito das

interferências eletromagnéticas, deve-se observar que a falta de aterramento

adequado ou a proximidade de cabos de distribuição de energia com os de

telecomunicações pode interferir no funcionamento e na taxa de transmissão das

redes de dados.

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57

5. SISTEMAS DOMÓTICOS

Uma residência inteligente contém vários subsistemas que gerenciam todos os

aspectos físicos pertinentes, permitindo um maior conforto com menor gasto de

energia. Os modernos sistemas de segurança, HVAC (Heating, Ventilation & Air

Conditioning) – aquecimento, ventilação e ar-condicionado) e entretenimento são

mais facilmente implementáveis nas novas construções, mas os projetos de reforma

também podem contemplar estas novas tecnologias. A centralização dos sistemas de

controle, devido à sua própria arquitetura unificada, diminui o tempo gasto com o

projeto e o retorno do investimento em equipamentos mais modernos se dá a médio

prazo. O cabeamento e acessórios são instalados de uma só vez e não em separado

para cada aplicação. A manutenção se torna mais fácil e a busca de erros, mais

rápida, assim como o disparo das ações necessárias. Como resultado final, consegue-

se atingir altos níveis de conforto e segurança a custos relativamente baixos.

Os condomínios inteligentes tendem também a serem monitorados e

controlados por um sistema centralizado. Contudo, os subsistemas deverão ter as

suas próprias estações de controle, onde possam ser monitorados os desempenhos

referentes a cada um. Os subsistemas listados abaixo compreendem a totalidade das

necessidades encontradas em uma residência inteligente atualmente, que são:

?? Sistema de detecção e controle mecânico – determina a função e

posicionamento de sensores, detectores e atuadores. É o sistema mais básico

de uma residência inteligente e de presença constante.

?? Sistema de energia elétrica – analisa a qualidade da energia recebida, e na sua

falta exerce rotinas alternativas, como uso de baterias e geradores, além de

controlar o consumo de todos os outros sistemas.

?? Sistema de ventilação, aquecimento e ar-condicionado – controla todo o

sistema de HVAC.

?? Sistema de iluminação – exerce controle sobre todas as lâmpadas da

residência, possibilita a realização de cenas de iluminação, auxilia o sistema

de segurança e provê meios para de redução do consumo de energia.

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58

?? Sistema de detecção e combate de incêndios – monitora fogo e fumaça em

todos os cômodos e executa funções de alerta e evacuação, atuando em portas

e janelas.

?? Sistema de segurança patrimonial – exerce monitoramento contra intrusos, e

executa funções de alerta.

?? Sistema de identificação e automação de acessos – exerce controle de portas,

realiza processos de identificação, gerencia níveis de acesso.

?? Sistema multimídia – controla todas as funções relativas a áudio e vídeo,

realiza downloads, e controla listas de execução e preferências.

?? Sistema de fluidos e detritos – gerencia o sistema de abastecimento de água

potável. Controla a liberação de dejetos e esgotos, saída de lixo e reciclagem

de material.

?? Sistema de monitoramento e visualização5 – gerencia todo o sistema de

interface com o usuário, provê personalização de funções e telas, e exerce

monitoramento sobre as atividades da residência possibilitando a

aprendizagem e melhoria sobre as funções da casa.

?? Sistema de auditoria e otimização de processos6 – baseado nos dados

provenientes do sistemas de monitoramento, verifica o funcionamento de

todos os outros sistemas, gera relatórios temporais, indica falhas e sugere

otimizações.

Todos estes itens constituem as principais abordagens na implementação da

automação residencial e serão abordados com mais detalhes ao longo deste trabalho.

5.1 Detecção e Controle Mecânico

Em uma residência inteligente, a utilização conjunta de sensores e atuadores

permite que se obtenha informações sobre o funcionamento dos diversos sistemas,

5 Também classificado como meta sistemas, pois não contribuem diretamente para a gestão da residência, mas atuam

sobre todos os outros sistemas domóticos. São sistemas que controlam outros sistemas.

6 Idem.

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59

“enxergando” e “manipulando” eletronicamente todos os seus pontos vitais. Por meio

do sensoriamento remoto é que se torna possível a automatização de tarefas pelos

gerenciadores e DIs. A escolha do sensor/atuador por parte do integrador de sistemas

residenciais deve ser muito criteriosa, pois cada tipo tem uma finalidade bem

peculiar. Um sensor de temperatura, por exemplo, pode não ser veloz o suficiente

para detectar o início de um incêndio ou não ter a precisão necessária para o controle

de uma caldeira. No Apêndice A, estão descritos alguns tipos de atuadores / sensores

para que se possa verificar a variedade e a abrangência destes dispositivos.

5.2 Energia Elétrica

Com o intuito de projetar e avaliar um sistema de controle de energia, muitos

processos devem ser implementados e integrados. Estes processos incluem aquisição

e tratamento de dados, processamento digital de sinais provenientes de sensores ou

de uma simulação computacional (dados estatísticos), implementação e avaliação de

simulações de dispositivos de forma independente, bem como implementações em

diversas topologias. No entanto, a avaliação destas diversas topologias de controle

energético de dispositivos não tem se mostrado economicamente viável [Van

Harmelen, 1994]. Desta forma, a utilização de ferramentas computacionais é de

extrema valia para o desenvolvimento de sistemas de controle de energia em

residências inteligentes. Usando os procedimentos computacionais, é possível se

obter resultados práticos de topologia e operação antes mesmo da implementação

prática. Para isso, deve-se ter a certeza que a simulação retornará resultados práticos,

utilizando a calibração adequada e os parâmetros práticos. A implementação prática

deverá ser uma comprovação dos resultados obtidos computacionalmente e servirá

para melhorar a interação com o usuário, bem como para otimizar os algoritmos

operacionais. Um diagrama representando um modelo de sistema de controle de

energia é observada na figura abaixo.

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60

Controle computacionalRede de dados

Controlador de potência

Sensoreseletrônicos

Comando dousuário

Potência deentrada

Potência desaída

Tabela de prioridade

Temporizador / Agenda

Figura 25 Sistema de controle de energia

5.2.1. Redução do Consumo de Energia

A redução do consumo de energia elétrica em uma residência pode ser

alcançada por meio da utilização de DIs e programas de gerenciamento de energia.

Parece contraditório reduzir o consumo de energia instalando novos eletro-

eletrônicos e softwares, mas não é. Um programa gerenciador de energia aliado a

sensores e atuadores pode otimizar a utilização de equipamentos de alta potência,

permitindo um uso mais racional e inteligente da energia. A ativação de

equipamentos de grande porte como sistemas de HVAC em horários pré-

determinados é um primeiro passo na racionalização. Controle de portas, janelas e

persianas permitem uma maior utilização da luz natural, mas balanceando a

incidência direta do sol para não sobrecarregar o ar-condicionado.

Em breve, a medição de energia pela concessionária levará em conta o

horário do uso da energia como acontece com o sistema telefônico, a partir daí, será

interessante programar a lava louça ou a máquina de lavar roupa para operar em

horários de menores taxas. Os programas de gestão de energia podem incluir

sistemas capazes de técnicas de auto-aprendizagem temporal, ou seja, ele pode

memorizar o esquema de ligações de aparelhos tais como climatizadores e

iluminação e com o decorrer do tempo criar bases de dados para calcular o tempo

necessário de inicialização de um determinado sistema para obter um conforto

adequado. Durante um período de não utilização, o sistema deverá ser capaz de

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61

alterar a iluminação e climatização para parâmetros definidos como noturnos ou de

não funcionamento. Durante o período de utilização, o sistema deve ser capaz de

conservar energia e otimizar o uso de energia elétrica ligando e desligando o sistema

de climatização, encontrando-se sempre dentro de limites pré-definidos de conforto.

As tarefas de manutenção podem ser programadas diariamente ou semanalmente

segundo planilhas de manutenção preventiva ou planos de reparação.

5.2.2. Sistema de Fornecimento de Energia

Em qualquer residência inteligente, é imprescindível a instalação de um

sistema de alternativo (backup) de energia para manter pelo menos as centrais de

controle e de alarmes funcionando. Um gerador de energia elétrica é mais adequado

para longos períodos de queda, mas deve se prover uma proteção contra faltas

repentinas ou surtos por meio de sistemas rápidos como os baseados em bateria (no-

breaks). Esta energia de emergência terá como função o fornecimento de corrente

elétrica que garanta o funcionamento dos sistemas de segurança mínimos, tais como

luzes de emergência, serviços de detecção de incêndio, fechaduras automáticas,

assim como todo o equipamento ligado ao PC (Master) da gestão da residência ou

equipamentos de cuidado médico (homecare) em áreas pré-determinadas. Os

equipamentos geradores, devido ao longo tempo sem uso, têm seus componentes

danificados pela corrosão do diesel ou gasolina ou do ácido das baterias de chumbo.

Assim, um cuidado especial deve ser dedicado a estes equipamentos para que não

falhem em uma situação de emergência.

5.3 Aquecimento, Ventilação e Ar-condicionado (HVAC)

O sistema HVAC pode consistir de trocadores de calor externos, caldeiras de

água, condicionadores de ar, ventiladores, aquecedores e controle de umidade. O

sistema central deverá controlar e gerir a energia dos equipamentos a ele conectados

por meio dos dados enviados pelos sensores de temperatura, umidade e ventilação. A

facilidade de gestão, manutenção e monitoramento do sistema de HVAC é

diretamente relacionada ao nível de detalhamento da planta da residência e seus

componentes. Deve-se permitir, por meio de controles locais, a alteração das

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62

decisões tomadas pelo controlador central, mas sempre baseado na redução de custos

e segurança do usuário.

Existem no mercado diversos equipamentos condicionadores de ar, com

várias aplicações dependendo do tamanho do ambiente e do número de pessoas que

costuma freqüentá- lo. A maioria dos aparelhos para residências consiste em apenas

uma unidade integrada. Num único elemento ficam os controles do usuário, a saída

de ar, o motor e o compressor. Esses são os modelos de parede ou janela

convencionais. A grande vantagem desse tipo de equipamento é o custo inicial,

inferior ao dos demais sistemas. Porém, uma das desvantagens é o elevado nível de

ruído ambiente.

Já as centrais de água gelada são usadas em grandes edifícios comerciais e

áreas comuns. Trata-se de uma grande unidade condensadora (chiller), onde ficam o

motor e o compressor, que esfria a água que alimenta dutos ao longo de todo o

prédio, com saídas (fan-coils) nos ambientes. Nesse caso, a água é resfriada e depois

refrigera o ambiente, por isso é denominado sistema de expansão indireta. Apesar

dos altos custos de instalação e manutenção, o ruído é praticamente zero. Isso porque

o barulho gerado pelo motor da unidade condensadora, geralmente instalado numa

marquise ou em outra área afastada, não alcança os ouvidos dos usuários. A

desvantagem é o gasto de energia, pois esse sistema permanece ligado, independente

do seu uso. Um modelo doméstico também é fabricado com o motor separado do

painel de controle (modelo split), com a vantagem de afastar o ruído do ambiente a

um custo mais baixo do que as centrais de água gelada.

De acordo com a Abrava (Associação Brasileira de Refrigeração, Ar-

condicionado, Ventilação e Aquecimento), esses aparelhos respondem por 25% a

40% da eletricidade consumida em um edifício comercial. Para amenizar isso, a

indústria tem investido no aperfeiçoamento desses condicionadores, colocando no

mercado equipamentos que reduzem, sensivelmente, esses gastos. Em termos

comparativos, os aparelhos atuais chegam a ser 60% mais eficientes e, alguns, ainda

permitem o controle por meio de sistemas de automação predial.

Alguns equipamentos de HVAC como atuadores, flanges e válvulas já são

passíveis de serem controlados remotamente. Além de controlarem a temperatura e a

função de liga-desliga, estes controladores eletrônicos permitem alterar as funções de

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63

aquecimento, umidade, purificação e renovação do ar. Porém, ainda, a maioria dos

aparelhos de ar-condicionado que são vendidos nas lojas brasileiras de eletro-

eletrônicos não permite o controle centralizado. Normalmente, o controle remoto

independente é o máximo em sofisticação. Deste modo, o integrador deve optar por

sistemas centralizados que provêm o controle unificado ou utilizar equipamentos de

controle liga-desliga adicionais para controlar o sistema HVAC.

5.4 Iluminação

A iluminação pode ser controlada remotamente, ou por meio do interruptor

convencional de parede. Sistemas inteligentes de iluminação podem acentuar os

detalhes arquitetônicos de uma sala ou criar ambientes especiais para a utilização do

Home Theater ou para leitura, por exemplo. Ligando e desligando automaticamente

as lâmpadas dos cômodos, o controlador de iluminação pode proteger uma casa de

intrusos, fazendo-a parecer ocupada na ausência de seus proprietários. Economia de

eletricidade é outra vantagem, pois a intensidade de luz é regulada conforme a

necessidade e as lâmpadas não precisam ficar totalmente acesas como acontece

normalmente.

Parte da iluminação poderá ser gerenciada pelo sistema de gestão de energia.

A automatização da iluminação pode ser feita por meio de uma programação com a

ajuda de sensores de luminosidade e ocupação integrados. Com o controle e

automação da iluminação podemos obter diminuição do consumo de energia entre

30% e 50%. As luzes acendem-se e apagam-se segundo horários previstos e

programáveis conforme a estação do ano, o tipo de ambiente, a previsão de horas de

ocupação, etc. Em modo automático, as luzes acendem-se à entrada de um indivíduo

onde a iluminação não é suficiente e apagam-se de forma temporizada quando não

detectam a presença de alguém. Esta temporização pode ser programada a qualquer

momento e independe do compartimento ou do cômodo.

Um sistema simples requer pouco mais que módulos liga-desliga controlados

por sinais enviados pelos próprios cabos da rede elétrica.. Os controladores têm uma

gama maior de estilos podendo variar de interruptores simples até complexos

teclados de parede ou consoles de mesa. Cada botão deste console pode enviar sinais

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64

de comando do tipo: ligar/desligar e/ou regular (aumentar/diminuir) a intensidade da

potência luminosa, aos vários módulos espalhados pela residência.

Outros sistemas mais sofisticados operam através de seu próprio cabeamento

dedicado, podendo gerenciar outros sistemas eletrônicos como o de segurança, de ar-

condicionado/aquecimento e de entretenimento. O usuário pode programar um

sistema de iluminação de tal forma que o toque de um interruptor instrua o sistema

de segurança a ser armado e acender certas luzes. Os mais recentes sistemas de

controle de iluminação não utilizam fios. Os interruptores se comunicam com as

lâmpadas por radiofreqüência. São sistemas que podem ser instalados e expandidos

com mais facilidade.

5.5 Detecção e Combate de Incêndios

Além dos sistemas convencionais de detecção e extinção como difusores

(sprinklers), extintores e hidrantes, existem outras formas baseadas em processos

integrados e automáticos. Por meio de sinais enviados pelos sensores e detectores, o

controlador central deverá proceder e cumprir um programa preestabelecido, assim

como executar medidas adicionais que são possíveis graças à integração entre os

sistemas de gerenciamento das instalações e o de segurança contra incêndios. Estas

medidas podem incluir:

?? disparo do sistema de extinção de incêndio;

?? parada do sistema de HVAC;

?? abertura e fechamento de portas e janelas;

?? fechamento de dutos;

?? avisos acústicos e ópticos na residência;

?? envio de mensagens de alerta via rede telefônica ou rede de acesso;

?? corte de energia em determinados ambientes;

?? detecção de presença de pessoas dentro da residência por meio dos

identificadores biométricos.

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65

O sistema de detecção de incêndios pode ser implementado num computador

com o auxílio de detectores de chama, fumaça, gás e sensores de temperatura. O

sistema monitora o estado dos detectores e das câmeras distribuídos por toda a

residência e decide se o estado dos detectores corresponde à uma situação de

incêndio. A instalação de sistemas de detecção e combate a incêndio deve ser

realizada por técnicos especializados e deve ter o aval do corpo de bombeiros local.

5.6 Segurança Patrimonial

Para se realizar um bom projeto de segurança patrimonial em uma residência

é imprescindível criar soluções que sejam não somente compatíveis, mas também

complementares, além de cumprir fundamentalmente os seguintes pontos,

considerados básicos em um sistema com tal propósito:

?? prevenção ou dissuasão – utilização de sistemas que inibam e promovam a

desistência da ação de intrusão;

?? detecção e alarmes – utilização de sistemas que permitam a detecção de ações

de intrusão e possibilitem o acionamento de diversos tipos de alarmes;

?? reconhecimento ou identificação – a residência inteligente deve ser capaz de

tomar decisões e cumprir processos baseados no reconhecimento e

identificação do usuário;

?? reação – o sistema deve realizar as funções de reação, disparando ações

contra o processo de intrusão.

No controlador central, o tratamento dos sensores proporciona informações

claras e objetivas ao usuário, tanto do estado das instalações como também dos

eventos que vão se produzindo. Existem dois cenários básicos com que o sistema

deve lidar: quando o usuário está em casa e quando não está. O software deve ser

capaz de prever várias situações de ataque e reação a fim de nunca deixar o usuário

em posição de risco. No caso da ausência de pessoas no local, o sistema deve estar

apto a informar o usuário remotamente por meio de mensagens de alerta via rede

telefônica, rede de acesso ou outro sistema de conexão com a polícia ou uma agência

de segurança particular. Neste sentido, o desenvolvimento de tais sistemas permite a

representação, na tela de um PC remoto (o PC do usuário em seu local de trabalho ou

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66

o PC da agência de segurança particular), de gráficos que indicam a situação, em

planta, das partes afetadas, bem como as possíveis imagens das câmeras de

vigilância. O sistema ainda pode dar as instruções básicas para situações de

emergência. Finalmente, o sistema centralizado de segurança deve atuar em conjunto

com os outros que controlam os demais serviços residenciais, tanto para receber

informações como para dar ordens (controlando as luzes e outros subsistemas,

consegue-se criar cenas de simulação de presença).

Os sistemas que são empregados na proteção de espaços e edificações,

controlados por meio de uma central, podem ser divididos basicamente em cinco

subsistemas:

?? Subsistema de detecção perimetral: pretende-se detectar a intrusão ou evasão

de qualquer indivíduo pela cerca perimetral no menor intervalo de tempo

possível, com exatidão do ponto, auxiliando o trabalho de um possível corpo

de vigilância. É importante que na fase de projeto exista a preocupação com

barreiras para evitar os falsos alarmes. Os sensores mais utilizados na

detecção perimetral são o sensor infravermelho ativo, sensor de microondas e

o sensor sísmico;

?? Subsistema de sensoriamento interno: é o sistema que supervisiona as áreas

internas. Atua normalmente associado aos sistemas de controle de acesso e

CFTV (Circuito Fechado de Televisão), enviando um sinal de alarme para a

central quando da ocorrência de alguma anormalidade. Os dispositivos mais

utilizados para o sensoriamento interno são o sensor magnético de abertura,

sensor de vibração, sensor acústico, sensor infravermelho passivo, sensor

microondas e botões de pânico;

?? Subsistema de circuito fechado de televisão: o sistema de CFTV atende às

áreas críticas do ponto de vista da segurança, isto é, portão de entrada,

corredores, acessos a áreas restritas, garagens e outras áreas, sendo cada local

supervisionado por uma ou mais câmeras, com lentes adaptadas para cada

situação;

?? Subsistema de controle de acesso: permite ou não a entrada de pessoas.

Crachás, cartões, senhas e sistemas biométricos são exemplos de sistemas de

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67

controle de acesso. Existe um item deste capítulo especialmente dedicado a

este assunto;

?? Subsistema de controle de rondas: o efetivo controle da movimentação do

pessoal da segurança deve ser cuidadosamente planejado para que não

ocorram erros ou omissões possibilitando a intrusão de estranhos.

5.7 Identificação e Automação de Acessos

O controle de acesso tem como objetivo principal efetuar o controle

eletrônico do movimento de pessoas — moradores, empregados e visitantes — e

carros, dentro dos limites da residência. Através das informações de identificação,

diversas ações podem ser tomadas, personalizando os demais sistemas de controle

em função do usuário. Chaves eletrônicas, impressões digitais, reconhecimento de

voz, leitura de íris ou mesmo cartões magnéticos estão sendo desenvolvidos para uso

residencial e alguns já são utilizados na automação de acessos.

Em um sistema automatizado, cada morador da casa possui sua própria chave

eletrônica que pode abrir algumas ou todas as portas da residência (portão, garagem,

entrada social ou de serviço) sem a necessidade de se carregar uma chave para cada

porta. As chaves eletrônicas possuem um código interno único e são extremamente

difíceis de serem copiadas. Por esse motivo, são seguras e individuais, permitindo,

por exemplo, que apenas o dono da casa tenha acesso à todas as portas, enquanto

outras pessoas tenham acesso apenas aos seus quartos; uma empregada pode receber

sua chave com permissão para abrir somente a porta da cozinha na sexta-feira, entre

8 h e 10 h da manhã. Se integrada a um sistema completo de automação e segurança

residencial, a chave eletrônica pode ainda servir para desarmar o sistema de alarme

da casa e acionar uma cena pessoal de iluminação e controle, acendendo

parcialmente as luzes da sala, ligar a TV e reproduzir uma saudação por voz

personalizada. Caso o sistema não reconheça a pessoa à porta, pode acionar o sistema

de CFTV ou solicitar uma discagem automática para localizar o morador. Se for um

ladrão e tentar desligar o sistema ou danificar o controlador de acesso, todo o sistema

de alarmes será acionado avisando o usuário ou a empresa de segurança contratada.

Todos os eventos são registrados e armazenados na central de controle.

Page 83: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

68

As unidades leitoras (leitoras de cartão, identificação por radiofreqüência,

etc.) devem estar associadas a dispositivos de bloqueio eletromagnéticos ou

eletromecânicos como: catracas, fechos, fechaduras etc. que efetuarão o bloqueio

físico das pessoas. Devem ser previstos também alarmes associados à eventos como

portas deixadas abertas inadvertidamente pelos moradores ou empregados da casa, de

modo evitar alarmes falsos ou mesmo facilitação de intrusão.

A automação de acessos não é somente restrita ao portão de entrada e pode,

também, ser implementada internamente à residência, de cômodo em cômodo.

Talvez não como um controle de acesso, mas para tornar o ambiente personalizado e

auto-ajustável de acordo com as preferências do usuário.

5.8 Multimídia

O sistema multimídia é responsável pelo controle, apresentação e

armazenamento dos diversos tipos de mídia, seja um filme, uma música, um

documento, etc. Entretenimento e segurança são grandes portais de entrada da

automação em uma residência e têm crescido muito ao longo dos anos. As altas taxas

de compressão de dados e o crescimento da velocidade de transmissão das redes de

acesso vêm alterando os modos de acesso e armazenamento de conteúdo multimídia.

Fitas magnéticas e discos ópticos darão lugar a arquivos comprimidos trafegando em

redes domésticas e sendo armazenados em DIs. Desta forma, o usuário poderá

assistir a um evento em qualquer cômodo da casa no horário que preferir.

5.8.1. Agentes de Controle de Mídia

Ao longo dos anos tem se notado um crescimento do número de canais de TV

e rádio e um substancial aumento da quantidade de informação disponível pela

Internet alcançando a ordem de petabytes de dados. Não existe outra época na

história da humanidade que tenha produzido tantos dados quanto a atual. Devido ao

fato que cada pessoa tem seus gostos e preferências, cada um tem seu método

particular de filtrar o que lhe convém, conforme o conhecimento e experiência

pessoal. Nos próximos anos, a tecnologia de compressão de dados e as redes de

banda larga propiciarão um aumento vertiginoso do número de canais de vídeo

disponível, sendo esperado um valor por volta de 500 canais na próxima década.

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69

Essa quantidade de informação impedirá a utilização da estratégia convencional de

filtragem de conteúdo. O modelo de filtragem estática, onde se comparam os

atributos com uma lista de perfis, pode ser facilmente implementada. No entanto,

agentes computacionais podem se sobrepor a esta inflexibilidade, auxiliando o

usuário e adaptando-se ao seu estilo de seleção de programas, de compras (home

shopping) e de busca de informações.

Agentes são descritos como programas computacionais que imitam os

comportamentos da inteligência humana fazendo coisas, tomando decisões, atuando

de forma autônoma e aprendendo ao longo do tempo [Wittig, 1995]. Combinando as

vantagens da inteligência artificial com os sistemas multimídias, dá-se origem aos

agentes inteligentes de controle de mídia, os Intelligent Media Agents, IMA.

Similar ao sistema televisivo atual, os IMAs devem ter interfaces simples

devido a enorme heterogeneidade dos usuários, com provável desconhecimento de

sistemas computacionais. Desta forma, as interfaces podem ter suas propriedades

ajustáveis de acordo com a vontade e necessidade de cada usuário. Elas podem

agregar também um sistema de ajuda inteligente e um sistema de dicas de

programação. Assim, o agente vai se moldando ao usuário conforme a sua

necessidade, porém com a possibilidade de reconfiguração rápida para situações

especiais mudando a ação dos agentes. Em sistemas de compra de produtos sem sair

de casa (home shopping), os agentes poderão auxiliar a procura e a compra

pesquisando nas lojas virtuais os melhores preços e oportunidades baseados no

histórico do usuário, seus hábitos e seu orçamento.

Antes de qualquer agente produzir um filtro por meio do perfil do usuário,

este deve ser identificado. Devido ao fato que agentes trabalham com informações

pessoais para criar o filtro, tais perfis devem ser guardados em segredo, sendo usados

métodos de autenticação e criptografia para protegê-los.

5.9 Fluidos e Detritos

O sistema de fluidos e detritos contempla todos os mecanismos de troca de

materiais líquidos e sólidos de uma residência inteligente com o meio externo.

Atualmente, em várias partes do mundo, incluindo o Brasil, enfrenta-se vários

problemas de cunho ambiental, como a falta de água e o acúmulo de lixo e de dejetos

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70

orgânicos que poluem o meio ambiente. Uma residência inteligente deve, além de

prover o conforto tecnológico, prover mecanismos de máxima utilização dos recursos

ambientais, incluindo:

?? Controle e gerenciamento da utilização da água potável e gás GLP;

?? Aproveitamento de águas pluviais (irrigação, lavagem de quintais);

?? Detecção de vazamentos;

?? Tratamento de esgoto;

?? Coleta seletiva e reciclagem do lixo.

Em uma casa inteligente, qualquer tipo de recurso deve ser muito bem

aproveitado, reutilizando-o várias vezes antes do descarte. Alguns dos sistemas de

aproveitamento de água mencionados acima já são utilizados no Brasil em regiões de

seca. Mas acredita-se que o desperdício de água ainda é muito grande, deste modo,

um sistema de controle de consumo e vazamentos tem grande importância na

concepção de uma residência inteligente.

Outra grande vertente de preocupação ambiental é a reutilização de recursos.

Uma residência inteligente pode, por meio da utilização de sensores e atuadores bio-

eletrônicos, identificar e eventualmente transformar os componentes e as substâncias

químicas, tornando dejetos tóxicos, elementos biodegradáveis. Desta forma, cada

habitação se tornaria uma pequena usina de tratamento de dejetos e reciclagem de

materiais.

5.9.1. Sistema de Abastecimento de Água e Gás

Atualmente, o sistema de fluidos em uma residência corresponde basicamente

à distribuição de água (quente/fria), esgoto e gás GLP. A automatização de sensores,

atuadores e bombas possibilita o controle de vazão, de pressão e de temperatura

destes fluidos em tempo real por um sistema integrado permitindo:

?? O consumo de água quente com conforto mas sem desperdício de energia,

através da possibilidade de utilização de várias fontes de aquecimento em

conjunto. Dependendo de alguns fatores como o clima, a hora, o número de

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71

ocupantes ou o dia da semana, o controlador central pode alternar entre o

sistema de aquecimento solar, a gás ou que utilize a eletricidade.

?? O controle de pressão do sistema, evitando o mau funcionamento ou mesmo

um rompimento da tubulação.

?? O acionamento de mecanismos de suporte em caso de falta. Caso falte água

ou gás, o sistema pode permitir a abertura do tanque reserva alertando o

usuário e colocando a casa em um modo econômico até que a situação se

regularize.

?? O controle da qualidade do serviço prestado pela concessionária. Por meio de

detectores bio-eletrônicos de microorganismos, a concessionária pode

verificar a qualidade da água recebida na residência e constatar algum tipo de

problema na rede como rupturas, vazamentos, etc.

?? O controle, por parte da concessionária de esgotos, de possíveis substâncias

tóxicas que possam agredir o meio ambiente como o despejo de derivados de

petróleo, resíduos químicos, chumbo ou material radioativo.

?? A reutilização da água não potável para lavagem de quintais, em caso de

incêndio, em descargas de banheiros ou mesmo para esfriar sistemas de ar

condicionado.

?? A prevenção de acidentes através do controle de válvulas de segurança no

caso de vazamento, incêndio ou explosão.

?? A temporização de sistemas de irrigação.

?? A utilização de tecnologia eletroquímica para a alteração ou eliminação de

componentes nocivos lançados no meio ambiente.

?? A utilização de dessalinizadores para utilização da água marítima em zonas

litorâneas.

Devido à crescente evolução dos equipamentos eletrônicos, oferecidos a um

custo final baixo, é inevitável a adoção de tais sistemas para o controle e

gerenciamento de qualquer recurso ambiental nos próximos anos. Com a utilização

de sensores, detectores e atuadores controlados por um gerenciamento inteligente, é

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72

possível tornar mais eficiente o consumo dos recursos naturais e reaproveitá- los antes

do descarte.

5.10 Monitoramento e Visualização

Em uma residência comum não existe o conceito de monitoramento. Quando

algo indevido é notado, normalmente já é tarde e os danos podem ser irreparáveis. O

vazamento de um cano, uma janela deixada aberta ou o ferro de passar roupa

esquecido ligado podem causar grandes problemas ao proprietário menos avisado.

Em grandes shopping centers, por exemplo, existe uma equipe de supervisão onde os

operadores tomam as decisões necessárias quando se detecta alguma anormalidade,

como por exemplo, avisar a equipe de manutenção ou comandar o desligamento de

um equipamento avariado.

Para implementar a função de monitoramento em uma residência, utiliza-se

um sistema automatizado. Diante de um evento, existe uma lista de prioridades a

serem seguidas e uma ação é tomada - dentro de uma gama limitada de

possibilidades - atuando sobre o respectivo subsistema onde ocorreu a falha. Assim,

nas residências inteligentes, o software armazena as informações, analisa os dados,

compara-os com algum padrão e escolhe a decisão que deve ser tomada, apoiando-se

nos parâmetros previamente definidos.

Entre as principais tarefas de monitoração encontram-se:

?? leitura de sensores e detectores;

?? análise do histórico do sistema: contagem do tempo de funcionamento,

contagem do número de vezes da ativação, contagem do número de vezes de

ocorrência de alarme, conexão com outros processos, anulação ou ativação de

alarmes;

?? ativação de atuadores;

?? manobras e estados de funcionamento: mudanças na posição de atuadores e

em eixos de válvulas eletromecânicas, histórico dos estados;

?? alarmes de incêndio e segurança: supervisão de linhas, sinalização de avaria

ou alarme por corte de linha, sinalização de alarme por ativação do detector,

temporização de alarme, histórico de alarmes;

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73

?? cálculos lógicos e aritméticos: cálculo de kWh, cálculo de horas de

funcionamento, cálculo de rendimentos.

Hoje em dia é possível ter acesso à informação por meio de telas nas quais ela

é apresentada de forma fácil e eficaz, com programas totalmente interativos, o que

possibilita fazer modificações com grande facilidade. Os recursos gráficos dos

softwares atuais facilitam as análises e a apresentação de resultados na tela e no

papel.

5.11 Auditoria e Otimização de Processos

O processo de auditoria se baseia no serviço realizado pelo sistema de

monitoramento. A auditoria é composta por um histórico de eventos e um programa

de filtragem da informação para que se possa detectar erros ou eventos indesejáveis

durante o processo. O objetivo é estabelecer relações entre variáveis, resultados de

cálculo e estados lógicos que permitam exercer uma administração mais elaborada e

obter um perfil do comportamento dos dispositivos e seus respectivos eventos. A

partir de um completo banco de dados existe a facilidade de análise por meio da

criação de curvas, gráficos, tabelas, etc.; podendo-se criar ações tanto manuais como

automáticas que levam a uma maior economia de energia e a uma manutenção

preventiva mais eficaz.

O programa de otimização, como todos os que estão integrados no

computador central, estabelece comunicação entre os controladores, coordenando as

ações e otimizando suas regulagens. A regulagem otimizada, ligada principalmente

ao reajuste de carga do programa de economia de energia, permite modificar os

valores de ponto de comando de forma automática, em função dos resultados de

conforto obtidos e das condições meteorológicas externas. Consegue-se assim que os

circuitos consumidores de energia, tais como aquecedores e climatizadores

modifiquem suas condições de produção para obter os mesmos resultados com

menores consumos de energia.

5.12 Integração dos Sistemas

Como já foi dito anteriormente, um dos pontos principais no desenvolvimento

de sistemas de automação para residências inteligentes é a integração dos mesmos.

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74

Todos os sensores utilizados no sistema de intrusão podem ser utilizados também

para controlar a iluminação dos compartimentos. De igual forma, todos os sensores

de temperatura atuam permanentemente como detectores de incêndio. Desta forma,

os sistemas de segurança de hoje em dia podem fazer mais do que pedir ajuda. Numa

rede de comunicações de dados utilizada para este fim, os mesmos sensores que

detectam movimento, fogo ou líquidos podem ser utilizados para ativar um número

variado de ações. Caso haja a necessidade, o sistema de segurança pode controlar o

sistema de ar-condicionado e ventilação (desligando-os em caso de incêndio) e as

portas, janelas, grades, e outros sistemas na residência. Ele também pode enviar

sinais para ligar e desligar a iluminação de acordo com os estado dos detectores de

movimento e auxiliar o funcionamento das câmeras de vigilância. Utiliza-se para isso

um modelo de software adequado a esta realização, não implicando custos adicionais

com equipamentos, uma vez que a rede física já está toda interligada.

Multimídia

Identificação eAutomação de

Acessos

SegurançaPatrimonial

Auditoria e Otimizaçãode Processos

Detecção e ControleMecânico

IluminaçãoFluidos e Detritos

Detecção e Combatede Incêndios

HVAC

Energia Elétrica

Monitoramento eVisualização

SistemasSecundários

Sistemas deSegurança

Sistemas deControlePrincipais

Meta Sistemas

Rastreamento ePercepção

Sistemas decomunicações

Telefonia Redes deComputadores

Figura 26 Sistemas de Controle Integrados

O software de controle que gerencia os subsistemas de uma residência, na

maioria das vezes, é implementado pelos próprios provedores dos serviços. A

empresa responsável pela instalação do sistema de ar-condicionado pode fornecer o

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75

software de controle junto com o equipamento e instalá- lo no computador central ou

em algum outro dispositivo inteligente. Deste modo, vários softwares de vários

sistemas terão que conviver em harmonia dentro da mesma rede doméstica. Daí, cria-

se uma necessidade de padronização e interoperabilidade não apenas para o

hardware como também para o software, evitando conflitos e maus funcionamentos.

A Figura 26 reúne os diversos sistemas de controle empregados e os qualifica

quanto à sua funcionalidade.

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76

II. PESQUISA E DESENVOLVIMENTO

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77

6. PROPOSTA DE UM AMBIENTE INTEGRADO DE

SIMULAÇÃO

O presente trabalho consiste no desenvolvimento de um simulador de

residência inteligente com uma interface gráfica interativa, desenvolvido na

linguagem Java? da Sun Microsystems? . A escolha pela linguagem Java decorre

primeiramente da facilidade de uso e da portabilidade oferecida. Outros fatores como

a extensa bibliografia existente e a grande disponibilidade de interfaces APIs

(Application Program Interfaces) também influenciaram na decisão.

Os conceitos, modelos e tecnologias apresentados até o momento visam

promover o embasamento técnico que dará suporte ao desenvolvimento dos

algoritmos necessários ao funcionamento de uma residência dita inteligente. Dentre

os itens a serem desenvolvidos estão:

?? Criação dos parâmetros estruturais da casa (paredes, janelas, portas),

definindo suas características e formas geométricas;

?? Definição lógica dos ambientes inteligentes e suas áreas limítrofes;

?? Criação dos parâmetros geométricos dos sensores e atuadores;

?? Modelagem lógica dos sensores e atuadores;

?? Caracterização e modelagem dos sistemas de controle (regras sobre os

atuadores, leis de convivência entre os sistemas e dispositivos);

?? Caracterização e modelagem dos DIs (desenho, funções, ações e estados);

?? Caracterização do sistema de percepção;

?? Criação de método de comunicação entre dispositivos;

?? Desenvolvimento de interface gráfica.

Os itens acima mencionados já se encontram também em uma ordem que se

acredita ser a mais natural na estruturação da residência e que otimizará todo o

processo de execução.

6.1 Introdução ao Simulador

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78

O sistema apresentado provê uma arquitetura de software baseada em objetos

que propicia uma rápida e simples re-estruturação da planta residencial e dos

parâmetros de todos os componentes instalados. O simulador torna as dependências

da casa transparentes e é independente de fabricante e de sistemas proprietários pois

toda a comunicação entre diferentes DIs é realizada por meio de mensagens no

padrão XML (Extensible Markup Language) adotado atualmente como meio de

comunicação entre arquiteturas heterogêneas. O simulador propicia um alto grau de

controle dos equipamentos inteligentes distribuídos pela casa, e permite ainda,

monitorar, gerenciar e introduzir melhorias no processo de controle. A interface

gráfica permite que os usuários requisitem mudanças na temperatura ambiente e

nível de iluminação entre outros aspectos. Por meio de sensores e atuadores

distribuídos e interconectados por uma rede, o sistema de utilização eficiente de

energia elétrica é capaz de ajustar os equipamentos de HVAC para um

funcionamento mais adequado e econômico.

Atualmente, existem vários sistemas de controle e automação residenciais que

não são interoperáveis. Inicialmente a automatização de uma residência pode ser

baseada num sistema homogêneo, mas devido à evolução da tecnologia e à

necessidade de diferentes formas de atuação, acaba-se por adotar posteriormente

sistemas heterogêneos.

O simulador introduz uma camada de abstração no topo de todos os sistemas já

desenvolvidos e age como um integrador de sistemas residenciais, controlando cenas,

ajustando dinamicamente todos os equipamentos e processos. O programa proposto

neste trabalho apresenta algumas características básicas dos softwares gráficos atuais

que permitem diversas interações do usuário com o ambiente a ser simulado e

monitorado, dentre elas:

?? Visualização: o integrador inicia a aplicação e, por meio de uma interface

gráfica colorida, visualiza as condições físicas e lógicas dos dispositivos da

residência e o funcionamento dos equipamentos.

?? Alteração das características iniciais: a qualquer momento pode-se inserir ou

excluir novos usuários, alterar os eventos externos (clima, hora, estação do

ano, etc.) e disparar eventos localizados (fogo, enchentes, etc.).

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79

?? Memória: o integrador estabelece novos parâmetros de configuração para o

conforto do usuário. Esses parâmetros são armazenados em “preferências do

usuário” .

?? Monitoramento: o sistema efetua um monitoramento contínuo de todos os

equipamentos e sensores e compara os valores medidos com valores de

funcionamento padrão e, caso haja alguma disparidade, aciona mecanismos

de controle. A geração de relatórios é efetuada para controle posterior e

aprendizagem do sistema.

As características físicas e geométricas da planta residencial, bem como a

posição dos sensores e atuadores são inseridas no simulador via arquivos descritores.

Toda a planta bidimensional, construção de paredes e o posicionamento dos

componentes e DIs são adquiridos através da leitura de arquivos descritores que

explicitam cada detalhe da construção da residência. Caso haja a necessidade de

alguma mudança estrutural, no número de cômodos, topologia ou posicionamento de

um dispositivo, basta alterar tais arquivos sem a necessidade de qualquer processo de

recompilação ou mudança no código fonte.

Um exemplo de arquivo descritor é mostrado na figura abaixo.

<space><name= "Suite"/>

<objects>

<sensor><name= "TemperatureSensor da Suite"/><bounds= 535,60,710,210/><type= temperatureSensor/><position= 610,65/></sensor>

<actuator><name= "Value da Suite"/><bounds= 535,60,710,210/><type= value/><position= 625,85/></actuator>

</objects></space>

Figura 27 Exemplo de arquivo descritor

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80

Cada linha é lida e analisada pelo sistema que identifica o elemento e toma a

providência necessária para:

?? obter todos os parâmetros geométricos necessários para desenhá- lo na

interface gráfica;

?? obter todos os parâmetros de funcionamento, região de atuação e controle dos

DIs;

?? avisar o controlador geral sobre este novo periférico.

Após a leitura dos arquivos descritores, o simulador está pronto a iniciar a

operação de análise de eventos e gerenciamento dos componentes. A inserção ou

retirada de usuários, bem como os ajustes de parâmetros podem ser realizados a

qualquer momento. O sistema oferece relatórios de funcionamento em três formatos

diferentes: gráfico em barras colorido, gráfico cartesiano e texto (Figura 28). O

primeiro permite uma rápida visualização diretamente na planta bidimensional por

meio de indicadores gráficos coloridos semelhantes aos de um painel de controle

propriamente dito. A saída cartesiana revela a variação dos parâmetros ao longo do

tempo possibilitando uma comparação ponto a ponto do estado dos diversos

sensores, atuadores e DIs. O formato texto provê uma forma completa e minunciosa

de observação de todas as variações ocorridas e das conseqüentes ações efetuadas

pela residência inteligente. É uma forma leve para o registro dos acontecimentos

(criação de backups de relatórios) em um formato que pode ser facilmente exportado

para outros aplicativos de análise como o Microsoft Excel? , por exemplo.

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81

Leitura dosarquivos

descritores

Gráficoscartesianos

Análise emtempo real

Inicialização dogerenciador

Relatórioformato texto

Medidoresgráficoscoloridos

Introdução de parâmetrosde teste

Cadastramento deusuários

Alarmessonoros

Figura 28 Fluxo de funcionamento do simulador

6.2 Arquitetura do Simulador

O simulador é baseado no paradigma da programação orientada a objeto por

meio da linguagem Java. Utilizando-se do conceito de herança disponível neste tipo

de linguagem, são criadas, primeiramente, as classes-pai que detêm as características

mais importantes de todas as outras classes-filho. No entanto, nem todas descrevem

objetos reais como sensores e atuadores, algumas efetuam ações paralelas e de

suporte, auxiliando o andamento de todo o processo e o bom funcionamento do

simulador. Para uma melhor compreensão, pode-se agrupá- las em seis conjuntos,

conforme a figura abaixo.

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82

Eventosdisparados

pelointegrador

Gerenciador

Monitor

Apoio

Eventosdisparados

pelousuário

Eventosexternos

Simulador

Painel deconfiguração

Painel decontrole

Painelprincipal

Relatórios

Gráficos

MedidoresColoridos

Texto

GráficosCartesianos

Saídas

Leitor deArquivos

Relógio

Construtorde objetos

Sensores

Atuadores

SistemasDomóticos

Cognição

Ambiente Inteligente

Usuário

Administração

Base dedados

Cont. devariáveis

Cenas

Figura 29 Estrutura do simulador

As classes administrativas são as responsáveis pelo gerenciamento e

monitoramento do funcionamento de todas as outras classes e objetos. Elas

comandam todos os componentes e por elas passam todas as informações

importantes sobre a gestão da residência. As classes gráficas realizam todos os

processos relativos ao desenho, à geometria e ao posicionamento dos componentes.

As classes de apoio efetuam as mais diversas tarefas, dentre elas a leitura dos

arquivos descritores, conexão com base de dados, controle de variáveis e geração de

eventos. O ambiente inteligente reúne todos os objetos tangíveis como sensores que

geram eventos, atuadores que reagem a comandos e os controladores que são capazes

de realizar ambas as tarefas de sensor e atuador. Um dispositivo que muda de estado

e ainda pode informá-lo, é um controlador. A classe DI determina todas os atributos

e funções básicas que os dispositivos inteligentes devem incorporar. Finalmente, a

Page 98: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

83

classe usuário define as características e hierarquias que os usuários assumem

quando trafegam pelo ambiente monitorado e a cognição define o seu

comportamento frente ao caminho percorrido.

Sensores

Gerenciador

Atuadores

Meta Sistemas

Sistemas de Controle

Sistemas Domóticos

Figura 30 Hierarquia do simulador

Algumas características e modos particulares de funcionamento dos objetos

podem ser armazenados indefinidamente e acessados a qualquer momento através da

utilização de cenas. As cenas são conjuntos de parâmetros definidos e testados

previamente, interligadas aos perfis dos usuários, o que lhes permite criá- las,

modificá- las e excluí- las facilitando a gestão da casa. Inúmeras cenas podem ser

criadas pelo usuário ou pelo fabricante de dispositivos definindo condições de

funcionamento padrão para seus DIs, sendo possível reconfigurá-los com apenas um

só toque.

Na Figura 30 é apresentada a hierarquia dos sistemas do simulador. Nota-se

na camada mais alta o gerenciamento centralizado que, inicialmente, facilitou a

construção do simulador mas que sobrecarregou este componente e trouxe lentidão

ao conjunto. No entanto, observando as tendências tecnológicas dos modernos

sistemas de software, aumentou-se a responsabilidade de cada sistema domótico na

gestão residencial tornando o sistema global gerencialmente distribuído, horizontal e

mais dinâmico. Conforme mencionado anteriormente, os meta sistemas não

influenciam diretamente a gestão da residência inteligente como fazem os sistemas

domóticos, mas contribuem no sentido de otimizar suas funções e decisões. São

sistemas que cuidam de sistemas. Eles também operam como sub gerenciadores

Page 99: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

84

filtrando os eventos gerados pelas camadas mais baixas a fim de não sobrecarregar o

gerenciador principal com erros primários.

6.3 Criação dos Parâmetros Estruturais e Geométricos

Toda a estrutura geométrica e gráfica da residência inteligente é formada por

figuras básicas como o retângulo e o círculo. As coordenadas são lidas do arquivo

descritor e o sistema as desenha na tela. A figura abaixo ilustra o sistemas de

coordenadas usadas pelo Java.

0,0x

y

parede

Parede = (xpos, ypos, largura, altura)

(xpos, ypos)

largura

altura

Figura 31 Coordenadas utilizadas no Java

Adaptada de [SUN, 2004]

Os parâmetros xpos e ypos indicam o ponto inicial de construção da figura. A

largura e altura complementam as informações necessárias para o desenho do

retângulo. A unidade métrica utilizada em todas as medidas é o pixel.

6.3.1. Construção Gráfica das Paredes

As espessuras das paredes internas e externas são determinadas no arquivo

descritor. Cada parede é construída por meio da leitura dos parâmetros que são:

nome, coordenadas_da_parede, tipo_de_objeto , cor

originando retângulos de cor sólida caracterizando as paredes no simulador gráfico.

A orientação das paredes é dada pelas coordenadas inferior direita e superior

esquerda que definem unicamente os retângulos. O parâmetro tipo_de_objeto é

Page 100: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

85

utilizado apenas para identificar o objeto, no caso a parede, porém não é desenhado

nada na tela.

6.3.2. Construção de Ambientes Inteligentes

A construção gráfica das paredes não implica, necessariamente, na construção

de ambientes. O primeiro motivo é que uma determinada parede pode servir a mais

de um ambiente e o segundo é que um ambiente não necessariamente precisa ser

cercado de paredes para existir. Por meio de parâmetros geométricos, pode-se

subdividir os espaços gerados pelas paredes em ambientes menores e com

características particulares.

Os ambientes inteligentes são construídos também por meio da leitura de

parâmetros do arquivo descritor, conforme mencionado anteriormente. Cada

dispositivo determina sua área de atuação que pode ser igual, maior ou menor que o

espaço físico em que se encontra ou até mesmo ocupar mais que um destes espaços.

Por isso cada ambiente inteligente vem associado ao seu dispositivo, conforme

ilustrado abaixo:

janelas, limites_das_janelas

...

portas, limites_das_portas

...

sensores, limites_dos_sensores

...

dispositivos, limites_dos_dispositivos

...

Os valores associados ao parâmetro limites não têm utilidade gráfica, apenas

são usados pelo controlador para alocar os espaços necessários para cada ambiente

inteligente a fim de controlar os atuadores, sensores e DIs.

6.4 Sistemas Domóticos

Conforme mencionado anteriormente, todas as funções de automação em uma

residência inteligente são divididas em 14 subsistemas domóticos, que são:

?? rastreamento e percepção;

Page 101: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

86

?? energia elétrica;

?? ventilação, aquecimento e ar-condicionado;

?? iluminação;

?? detecção e combate de incêndios;

?? segurança patrimonial;

?? controle e automação de acessos;

?? detecção e controle mecânico;

?? fluidos e detritos;

?? redes de computadores;

?? telefonia;

?? monitoramento e visualização;

?? multimídia;

?? auditoria e otimização de processos.

Todos estes itens constituem as principais abordagens na implementação da

automação residencial e serão detalhados ao longo deste trabalho.

6.4.1. Rastreamento e Percepção

Devido à sua elevada complexidade, não seria adequado caracterizar a

funcionalidade de rastreamento e percepção como apenas a de um sensor. Foi, então,

denominado de sistema, embora o gerenciador principal não permita que ele atue

diretamente sobre as decisões de controle.

O sistema de percepção adotado (Figura 32) tem suas características

parcialmente baseadas no sistema de câmeras estereográficas. Parcialmente, porque

provê ao sistema informações sobre o posicionamento, distância entre objetos e

intenção de movimentação, porém não permite identificar postura e mudanças

faciais. O sistema de percepção permanentemente atualiza o banco de dados do

gerenciador com o posicionamento dos usuários e objetos dentro da casa, bem como

Page 102: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

87

os registros de movimentação para que o gerenciador possa disparar os eventos

necessários segundo os cálculos de predileção.

(0,0)Origem

(0,500)(500,0)

Eixo XEixo Y p1(50,30)

p3 (250,400)

p2(200,200)p(50,400)

Posicionamento do usuário:

(50,30) atualizando dados() ...(200,200) atualizando dados() ...(250,400) atualizando dados() ...

Distância do usuário ao ponto p:

p1 = 370p2 = 250p3 = 200

Sistema de Percepção

Figura 32 Sistema de percepção atuando

6.4.2. Energia Elétrica

O sistema de energia elétrica, por meio de uma lista de carga dos dispositivos

em funcionamento, efetua o cálculo de algumas grandezas elétricas como a energia

consumida (kWh) e a potência demandada (kW). É por meio desses valores que o

gerenciador principal atua no modo e no horário de funcionamento dos DIs e, por

ventura, reduz o consumo energético em um determinado período. Este sistema ainda

provê o histórico de todo o funcionamento para que o sistema de auditoria e

otimização de processos possa identificar problemas, otimizar processos e reduzir o

consumo de energia.

6.4.3. HVAC

O sistema de HVAC, por meio das informações dos sensores de temperatura e

das preferências do usuário, permite que o gerenciador principal controle a

temperatura ambiente atuando nos aquecedores, resfriadores e ventiladores que

compõem todo o conjunto. O sistema de HVAC também atua diretamente nos

Page 103: 2004.06 Cab Dissertacao-fr

88

atuadores de portas e janelas com o intuito de aumentar a eficiência energética do

processo de refrigeração e aquecimento, que, normalmente, é o que mais consome

recursos.

6.4.4. Iluminação

O sistema de iluminação permite que o gerenciador principal controle o

estado e a intensidade das fontes luminosas de tal forma que possibilite a criação de

cenas de iluminação, propiciando maior conforto. Este sistema opera em conjunto

com vários outros sistemas automatizando as luzes de acordo com a presença do

usuário ou com o sistema de segurança.

6.4.5. Detecção e Controle de Incêndio

O sistema de detecção e controle de incêndio permite que o gerenciador

principal utilize as informações dos sensores de temperatura e de presença para ativar

os mecanismos necessários à segurança dos usuários e controle do fogo. Tais ações

correspondem à abertura de portas e janelas para a evacuação dos ocupantes e

dispersão da fumaça, ativação de aspersores (sprinklers), envio de mensagem de

alarme para a central de bombeiros via sistema telefônico e alteração no

funcionamento do sistema de HVAC.

6.4.6. Segurança Patrimonial

O sistema de segurança patrimonial permite que o gerenciador principal

utilize as informações dos sistemas de rastreamento e percepção para ativar alarmes e

envio de mensagens de intrusão aos sistemas de segurança remoto. Ele ainda pode

atuar em outros sistemas como o de iluminação, por exemplo, acendendo e apagando

as luzes aparentando que a casa está ocupada.

6.4.7. Identificação e Automação de Acessos

O sistema de identificação e automação de acessos permite que, por meio das

informações de percepção, o gerenciador identifique os usuários e estabeleça ações

conforme uma lista de acesso. Atuadores de portas, portões e janelas, lâmpadas,

equipamentos multimídia ou quaisquer outros sistemas podem usufruir das listas de

acesso, impedindo ou liberando certas funções ou o controle total da operação.

Praticamente todos os outros sistemas utilizam as informações de identificação para

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89

avaliar as suas decisões, uma vez que a residência inteligente é voltada ao usuário e

segue suas preferências.

6.4.8. Detecção e Controle Mecânico

Construção dos Atuadores das Janelas Os atuadores das janelas permitem que o controlador central possa abri- las e

fechá-las remotamente conforme sua programação. Caso o controlador queira

modificar o estado da janela, ele deve enviar um comando ao atuador. Janelas

fechadas são indicadas pelo retângulo delgado desenhado na tela entre paredes.

Janelas abertas são indicadas pela falta do retângulo delgado.

Figura 33 Exemplo gráfico de janelas. Na sequência: fechada e aberta

Construção dos Atuadores dos Portões da Garagem Os atuadores dos portões da garagem têm comportamento similar ao dos

atuadores das janelas.

Construção dos Atuadores das Portas Os atuadores das portas permitem que o controlador central possa abri- las e

fechá-las remotamente conforme sua programação. Caso o controlador queira

modificar o estado da porta, ele deve enviar um comando ao atuador. Portas fechadas

são indicadas pelo retângulo delgado desenhado na tela, alinhado com as paredes

adjacentes. Para isso são utilizadas as coordenadas de porta fechada. Portas abertas

são indicadas pelo retângulo delgado desenhado na tela, perpendicular às paredes

adjacentes. Para isso são utilizadas as coordenadas de porta aberta.

Figura 34 Exemplo gráfico de portas. Na sequência: aberta e fechada

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90

Caracterização e Modelagem dos Sensores Existem algumas modalidades de sensores utilizados neste simulador gráfico,

que são:

?? sensor de temperatura ambiente;

?? sensor de presença (é utilizado o sistema de percepção);

?? sensor acústico;

?? sensor de intensidade luminosa;

?? sensor de potência (é utilizado o wattímetro);

?? sensor de água;

?? sensor de humidade;

?? sensor de CO2.

Sensor de Temperatura Ambiente O sensor de temperatura utilizado tem as características de um termômetro

termovelocimétrico, isto é, provê informação sobre a temperatura instantânea e a

velocidade desta variação em graus/tempo. Este sensor é utilizado neste projeto

como medidor de temperatura ambiente e detecção de incêndios.

Figura 35 Representação gráfica do sensor de temperatura

Sensor de Presença Devido às avançadas características dos sistemas de câmeras estereográficas

em relação aos sensores PIR, infravermelho passivos, que detectam apenas o

movimento de fontes de calor tais como o corpo humano, a detecção de presença

utiliza as informações provenientes do sistema de rastreamento e percepção, citado

anteriormente. O sensor de presença, no entanto, através da mudança de cor, indica a

presença ou não de pessoas no recinto.

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91

Figura 36 Representação gráfica do sensor de presença atuando

Sensor Acústico O sensor acústico utilizado é constituído basicamente de um microfone. Estes

sensores utilizam as informações geométricas fornecidas para a criação dos

ambientes para definir a área de atuação.

Figura 37 Representação gráfica do sensor acústico

Sensor de Intensidade Luminosa O sensor de iluminação absorve as características dos sensores baseados no

componente LDR (Light Dependant Resistor). No entanto, o modelo computacional

difere quanto à velocidade de reação à luz, estabelecida como instantânea e quanto à

dependência da resistência versus intensidade luminosa, estabelecida como linear.

Figura 38 Representação gráfica do sensor de intensidade de iluminação

Wattímetro O wattímetro utilizado envia os resultados das leituras de potência

demandada para o gerenciador principal por meio da rede doméstica e em tempo

real. Qualquer outra grandeza elétrica é calculada pelo gerenciador.

0000 kW

Figura 39 Representação gráfica do wattímetro

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92

Sensor de água O sensor de água detecta inundações nos cômodos da casa. Ele envia uma

leitura digital (sim ou não) para o gerenciador central. O evento inundação é

disparado e representado através da alteração da cor do ícone que representa o

sensor.

A

Figura 40 Representação gráfica do sensor de água

Sensor de umidade O sensor de umidade efetua a leitura do percentual de umidade relativa no ar.

Ele é utilizado pelo sistema de HVAC para o controle da qualidade do ar dentro dos

ambientes.

Figura 41 Representação gráfica do sensor de umidade

Neste projeto, a umidade relativa do ar é dependente da distância do cômodo ao ambiente externo. O número de janelas e portas também é levado em consideração no cálculo. Por outro lado, o sistema de HVAC também pode alterar a umidade, porém o valor estipulado é limitado a cada cômodo e independe dos cômodos vizinhos.

Sensor de CO2 O sensor de CO2 efetua a leitura da presença de dióxido de carbono no ar. É

utilizado para o controle da qualidade do ar dentro da casa e detecção de incêndios.

Figura 42 Representação gráfica do senso r de CO2

A concentração de CO2 no interior da residência é diretamente proporcional à

concentração externa. Ela varia em uma situação de incêndio e é utilizada juntamente

com a elevação da temperatura para a detecção de fogo.

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93

6.4.9. Fluidos e Detritos

O sistema de fluidos e detritos utiliza as informações do sensor de água para o

controle de inundações e vazamentos. Uma vez detectado qualquer destes eventos ele

avisa o usuário por meio do sistema de telefonia ou internamente, através dos alto-

falantes.

6.4.10. Telefonia

O sistema de telefonia é o meio de contato com o usuário quando este não está

presente na residência. Ele também redireciona as chamadas para o local mais

próximo do usuário através das informações do sistema de rastreamento e percepção.

Figura 43 Representação gráfica do telefone

6.4.11. Monitoramento e Visualização

A visualização da gestão é proporcionada por meio dos medidores gráficos

coloridos, gráficos cartesianos e relatórios de texto. O sistema de monitoramento

verifica o funcionamento de todos os componentes e avisa o usuário caso algo não

opere conforme o planejado.

6.4.12. Auditoria e Otimização de Processos

O sistema de auditoria e otimização de processos analisa o funcionamento dos

outros sistemas. Caso seja notado algum ponto onde possa haver uma intervenção

com o intuito de aumentar a segurança, funcionalidade, conforto ou minimizar o

consumo de energia, será enviada uma notificação ao usuário.

O sistema de auditoria e otimização coleta e armazena os dados de

funcionamento de todo o sistema e efetua uma posterior análise a fim de salientar

eventuais discrepâncias no comportamento da residência inteligente e saná- las

através da adoção de novos métodos de controle e gerenciamento dos dispositivos.

Ele atua no comportamento de todos os outros sistemas, porém altera apenas os

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94

parâmetros de ajuste especificados para tal fim (não existe acesso externo a

parâmetros principais de controle e de segurança).

Em conjunto com o sistema de identificação e controle de acesso,

desenvolvem-se processos dedicados a cada usuário aumentando-se a integração da

residência inteligente com os ocupantes.

Em conjunto com o sistema de energia elétrica e o de fluidos e detritos,

otimiza a utilização dos recursos energéticos alterando o modo de funcionamento dos

DIs, descobrindo vazamentos e fuga de energia. Por meio do sistema de HVAC, atua

em portas e janelas visando o maior aproveitamento de luz solar e brisas na

climatização do ambiente.

6.4.13. Multimídia

O sistema multimídia permite o controle de atividades de áudio e vídeo pelo

gerenciador principal. Seleção de mídias, controle de volume, preferências do

usuário e integração com outros sistemas como iluminação, controle de acesso e

HVAC, são qualidades gerenciáveis por meio deste sistema.

6.5 Dispositivos Inteligentes

O dispositivo inteligente deve ser capaz de prover sua identificação na rede,

seu estado e métodos de ação para que o controlador central possa com ele interagir e

manipulá-lo. O seu funcionamento não é autônomo, ou seja, sempre estará atrelado a

um sistema domótico. Isso não caracteriza uma dependência de hierarquia, apenas

reúne logicamente os DIs com funções relacionadas, facilitando a abordagem de

monitoramento pelo gerenciador central.

6.6 Usuários

Um usuário representa uma pessoa localizada fisicamente na residência. O

sistema é capaz de distinguir três tipos de usuários com diferentes necessidades e

direitos. O primeiro tem perfil de administrador com todos os direitos adquiridos e

pode controlar e monitorar os recursos da residência. Os administradores manipulam

os dispositivos, gerenciam usuários e grupos, podem definir eventos e perfis para os

usuários. Eles também podem definir o controle de acesso a determinados ambientes

e DIs. Em um segundo nível estão os ocupantes que devem ser identificados e podem

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95

adquirir diferentes níveis de acesso, bem como especificar uma variedade de cenas e

preferências. O terceiro não pertence a nenhum dos outros grupos e é criado para

verificar as respostas da residência inteligente frente à tentativas de intrusão.

Nome

Figura 44 Representação gráfica do usuário

6.7 Desenvolvimento de Interface Gráfica

A interface gráfica adotada é do tipo WIMP (Windows, Icons, Mouse,

Pointers), porém também utiliza as informações geométricas provenientes do sistema

de percepção para acompanhar o usuário e exibir controles e informações relativas ao

ambiente em que ele se encontra.

Simulador

Planta Residencial Configurações Relatórios Conexão

Residência Inteligente Controles

Tela Inteira

?

SuiteBanho1 Banho2

Quarto 1

Quarto 2CozinhaÁrea de

Serviço

Garagem1

Sala de Estar

EntradaPrincipal

Hall

Garagem2

CorredorCâmera

Sem áudio

Clima e tempo

Status

Lâmpada1 ligRefrigerador ligPorta 3 abertaJanela 2 fechada...

Níveis

Multimídia

Figura 45 Painel principal do simulador

O painel principal é composto por diversos outros painéis que permitem a

visualização e o controle dos sistemas domóticos e dos atuadores em tempo real.

Cada sistema pode, individualmente, ter suas condições de trabalho alteradas

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96

permitindo-se medir a influência de cada um na gestão global da residência ou

mesmo o nível de interferência de um sistema sobre o outro.

6.8 Cenários e Resultados

Alguns cenários foram criados para validar o projeto e verificar se o mesmo

atende às necessidades estabelecidas inicialmente. Cada um foi testado com o

objetivo de verificar a resposta produzida pela residência inteligente.

Cenário 1 : Inserção e detecção de usuários

O integrador inicia a aplicação e cria três usuários com nomes e status

distintos (administrador, visitante e intruso) permitindo-se verificar o funcionamento

das portas, janelas e demais atuadores frente à movimentação dos mesmos. O sistema

deve detectar a presença destes usuários e, caso não seja efetuado o reconhecimento,

medidas de contorno devem ser efetuadas. Após a conclusão do cenário, o sistema

deve permitir a remoção de todos os usuários.

Resultado:

Na presença do usuário com status de Administrador, todas as portas, janelas

e demais atuadores reagem à sua presença. No caso do visitante, apenas as portas

diretamente declaradas de serem abertas por visitantes reagem, enquanto que o

nenhum atuador reage ao Intruso. O sistema no entanto se mostrou insensível à

utilização simultânea de uma porta por dois ou mais usuários rejeitando a passagem

do Visitante e do Intruso mesmo com a porta já aberta previamente pela passagem do

Administrador.

A medida de contorno efetuada frente à tentativa do intruso de passar pela

porta principal se resumiu ao envio de uma mensagem de socorro para a polícia pelo

sistema de telefonia. A criação e a remoção dos usuários foram efetuadas com êxito.

Cenário 2 : Diagnóstico

O sistema acusa uma falha em um equipamento e pede ao integrador que

tome uma providência com relação ao contínuo funcionamento do sistema.

Resultado:

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97

A falha em um equipamento demonstrado neste trabalho foi a queima de um

lâmpada. O sistema descobre que uma lâmpada está queimada quando não verifica

nenhuma mudança no sensor de luminosidade quando a mesma é acesa ou apagada.

Deste modo, ele avisa o usuário pela interface gráfica assinalando o defeito.

Cenário 3 : Reparo

Uma vez acusada uma falha em um equipamento, o sistema aguarda um

tempo determinado para que o integrador interfira, desligando o equipamento e

providenciando o reparo. Caso o usuário não responda, o sistema atua, desligando o

equipamento e solicita reparos ao fabricante por meio de uma mensagem na rede.

Uma vez consertado o equipamento, o sistema integra-o novamente à rede.

Resultado:

Uma vez que o sistema assinalou a lâmpada com defeito, ele esperou 30

segundos até uma decisão do integrador (que intencionalmente não ocorreu) e enviou

uma mensagem pelo sistema de telefonia ao fabricante responsável. Após o conserto

do defeito (mudança do status do dispositivo), o sistema voltou a operá- la

normalmente.

Cenário 4: Incêndio

Detectado um incêndio, ou seja, se a temperatura de um cômodo ou o nível de

CO2 ultrapassarem um certo limite estipulado, todas as portas e janelas se abrirão. Os

bombeiros devem ser avisados por meio do sistemas de telefonia ou rede de acesso

após 5 segundos do início do alarme. O sistema de HVAC e a energia elétrica devem

ser desligados.

Resultado:

Uma vez detectado o incêndio em um dos cômodos, o sistema abriu todas as

portas, janelas e cortinas, avisou o usuário pela interface gráfica e, após 5 segundos

enviou uma mensagem ao corpo de bombeiros por meio do sistema de telefonia e

permaneceu neste estado até que o integrador removesse as condições de CO2 e

temperatura que iniciaram o incêndio. Os sistemas de HVAC e energia elétrica foram

também desligados com êxito.

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98

Cenário 5: Funcionamento do sistema de HVAC

Acionado o sistema de HVAC, as janelas e as portas referentes ao ambiente

serão fechadas. O usuário deve poder alterar as configurações de todos os cômodos

com relação à temperatura e à umidade desejada.

Resultado:

Os atuadores funcionaram como previsto, mas devido à baixa prioridade do

sistema de HVAC, qualquer outro evento com prioridade mais elevada altera a

posição das portas e janelas interferindo na busca pelo ponto ótimo de

funcionamento.

Cenário 6: Funcionamento do sistema de iluminação

Detectado um usuário, a lâmpada do cômodo deve acender se a luminosidade

natural estiver abaixo de um valor estipulado. A iluminação dos cômodos deve

alternar simulando a presença de usuários no modo “desabitado”.

Resultado:

O sistema funcionou de acordo com o especificado, mas a energia elétrica

gasta pelo sistema no modo “desabitado” foi relativamente alta se comparado com o

gasto mensal médio de toda a casa com esta opção desativada. É sabido que sistemas

de segurança consomem intensamente recursos, mas acredito que um aprimoramento

no algoritmo do simulador de presença através da iluminação noturna e aleatória

possa minimizar esse efeito.

Cenário 7: Funcionamento do sistema de fluidos e detritos

Uma vez detectado uma inundação, avisar o usuário pelos alto-falantes do

sistema multimídia ou por meio do sistema telefônico.

Resultado:

O sistema funcionou a contento, mas o algoritmo utilizado não foi capaz de

identificar a fonte de inundação (chuva, encanamento de água com defeito). Esta

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99

qualidade é de grande importância visto que uma inundação prejudicaria o

funcionamento de diversos outros sistemas domóticos colocando em risco o perfeito

funcionamento da residência inteligente e a vida do usuário.

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100

7. TRABALHOS FUTUROS E CONCLUSÃO

7.1 Trabalhos Futuros

O tema residências inteligentes ainda permite inúmeras implementações e

estudos tanto nas disciplinas de Engenharia e Ciência da Computação quanto em

Arquitetura, Sociologia e até na Medicina, quando os sistemas domóticos são

utilizados em conjunto com os de homecare.

A substituição dos sensores e atuadores virtuais por reais já demandaria

grande esforço e tempo de desenvolvimento pois a localização e o posicionamento

dos sensores, bem como o tipo utilizado teriam grande influência na programação

utilizada para os sensores virtuais. A utilização de atuadores reais, com grande

certeza, traria novos problemas e argumentos não tratados no ambiente virtual.

Outro aspecto importante a ser considerado é o da confecção de dispositivos

inteligentes reais. Neste caso haveria a necessidade inicial de se verificar qual a

arquitetura mais conveniente para que possa realizar suas funções nos diversos

cenários a que vier a ser submetido. Isto pode inclusive requerer o uso de

programação evolucionária. Caso venha a ser implementada por um programador,

esta tarefa pode vir a ser bastante complexa, pois há que se prever e ser capaz de

atender a uma variedade muito grande de casos. A utilização de gerenciamento

descentralizado bem como a definição das características da rede de dados e a

especificação das mensagens entre os DIs permitindo o controle remoto expandiria

muito a sua utilização e multiplicaria o seu poder computacional.

No ambiente gráfico, muitas mudanças e melhorias podem ser realizadas.

Uma interface tridimensional facilitaria o processo de gestão da residência por parte

do integrador e tornaria mais rápida a visualização e a correção de problemas. A

implementação de um sistema de percepção eficiente associado com algoritmos de

aprendizado seria um grande passo no caminho do desenvolvimento de sistemas

domésticos factíveis e eficientes.

A utilização de agentes inteligentes auxiliando-o nas tarefas diárias tem sido

muito pesquisado nas disciplinas de Robótica e Agentes Inteligentes e é

perfeitamente cabível no contexto das residências inteligentes. E, finalizando, a

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101

simulação utilizando personagens típicos, baseados em vida artificial, possibilitaria

uma ampla validação de todos os sistemas domóticos criando-se situações densas e

complexas através da interação destes personagens com perfis próximos dos usuários

reais.

7.2 Considerações Finais

O simulador gráfico auxilia a construção e concepção de uma casa inteligente,

permitindo avaliar tanto os aspectos técnicos como o funcionamento dos DIs, quanto

a interação dos equipamentos com o usuário. Verificou-se a grande necessidade de

um sistema de rastreamento e percepção com grande precisão a fim de reduzir o erro

sobre os sensores e atuadores, melhorando a gestão da residência inteligente. É

interessante notar a possibilidade de se ligar e desligar os recursos inteligentes da

casa, possibilitando uma avaliação da qualidade de tais sistemas inteligentes tanto na

economia dos recursos energéticos, como também no conforto e segurança ao

usuário.

A utilização de arquivos descritores permite um rápido re-ordenamento na

estrutura geométrica dos componentes o que garante uma certa universalidade ao

simulador.

A análise das funções da residência através de recursos gráficos coloridos

facilita a tomada de decisões por parte do integrador e possibilita que as medidas

necessárias sejam executadas em um curto espaço de tempo, remotamente e com

segurança.

A utilização da linguagem Java facilitou o desenvolvimento do simulador

pois as bibliotecas gráficas bidimensionais, colorização e manipulação de texto são

nativas à linguagem. Muitas IDEs (Integrated Development Environment – Ambiente

de Desenvolvimento Integrado) gratuitas e de livre utilização permitem um

desenvolvimento acelerado do código por meio de interfaces amigáveis e detectores

de erros. Existem ainda milhares de programadores ao redor do mundo que mantém

tutoriais e cursos na Internet auxiliando aqueles que necessitam de certa ajuda. A

portabilidade do código Java ainda permite que o simulador possa ser executado em

vários sis temas operacionais como o Windows, Linux e Unix, ou mesmo, com

relativa facilidade, via Web.

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102

O paradigma da programação orientada a objetos facilitou o desenvolvimento

dos sensores, atuadores e dispositivos inteligentes pois uma vez estabelecidas as

entradas e saídas comuns a todos, permitiu por meio da herança e do polimorfismo, a

reutilização de código e a economia de esforços computacionais.

Com relação ao caráter social do simulador, a participação do usuário nas

tomadas de decisão sobre o funcionamento da casa inteligente foi reduzida uma vez

que os sistemas domóticos se tornaram responsáveis pela sua gestão. No entanto, a

utilização da abordagem não-coercitiva através das mensagens instantâneas

minimizou uma possível falta de controle da situação que o usuário possa sentir.

Finalizando, a automação residencial, apesar de ser ainda nova no Brasil, se

encontra em franco crescimento. Neste contexto inicial, acredito que uma ferramenta

gráfica como o simulador proposto neste trabalho contribuirá para este crescimento

tanto como uma opção de visualização de uma casa automatizada para um público

leigo ou como um avançado analisador de rede domésticas e de dispositivos

inteligentes por meio da geração de eventos aleatórios e diretos possibilitando-se

verificar a integração do usuário com um universo repleto de equipamentos

eletrônicos, sensores e interfaces.

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103

III. APÊNDICES E BIBLIOGRAFIA

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APÊNDICE A – SENSORES E ATUADORES

Atuadores

São alguns dos exemplos de atuadores que podem ser utilizados no controle

de ambientes residenciais:

?? Motores de passo e motores miniatura: variam a posição angular.

?? Solenóides, hidráulicos e pneumáticos: variam a posição linear.

?? Mini-bombas de circulação: escoamento de líquidos.

?? Células Peltier: arrefecimento ou aquecimento de superfícies.

?? Folhas aquecedoras: aquecimento de superfícies.

Sensores e Detectores

Existem inúmeros tipos de sensores e detectores que podem ser instalados

para auxiliar o controle de um ambiente inteligente, dentre eles destacam-se:

?? Temperatura: fornecem a medida instantânea da temperatura (sólido,

líquidos, gases, ambiente, etc.) sob a forma de sinais analógicos ou através de

bus de dados proprietário. Normalmente, têm como elemento central um

termistor que altera a resistência elétrica em seus terminais de acordo com a

temperatura do meio. Podem ser alimentados pela própria rede de dados ou

por um cabeamento dedicado. Já os sensores infravermelhos de temperatura

utilizam-se da detecção da emissão da energia radiante no espectro dos

infravermelhos. As cores escuras chegam a ter 0,97 e 0,98 de emissão,

enquanto as claras têm entre 0,7 e 0,92. Existem outros modelos de sensores

de temperatura que se utilizam das propriedades termofísicas de alguns

metais (termopares e bimetálicos) que não serão tratados aqui mas que são

largamente utilizados;

?? Termovelocimétricos: detectam a velocidade de variação da temperatura no

tempo. Desta forma, o detector pode discriminar entre o aumento de

temperatura mais gradual, provocado por causas naturais (insolação direta,

por exemplo) e o incremento repentino provocado por um incêndio;

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?? Umidade relativa: sensores do tipo capacitivo que fornecem a medida

instantânea da umidade relativa sob a forma de sinais analógicos ou bus de

dados proprietário. Devem ser capazes de efetuar medidas entre 10% e 90%

de umidade relativa com a precisão de + ou - 3% (temperatura ambiente);

?? Qualidade de ar: sensores medem o nível de CO2 existente numa sala entre 0

e 2000 ppm. Terão de ser capazes de operar eficazmente entre 5ºC e os 40ºC;

?? Magnético de abertura: utilizados normalmente nas portas e janelas a serem

controladas. São contatos encapsulados em vidro do tipo reed switch, imunes

à corrosão e acionados através de ímãs. Estes sensores são instalados junto à

batentes e esquadrias e os imãs são instalados nas portas e janelas, cuja

abertura ou fechamento produzirá a alteração na posição dos contatos;

?? Intensidade de iluminação: tem como elemento principal o LDR (Light

Dependent Resistor) cuja resistência é função da intensidade de iluminação

que nele incide. Pode ser utilizado no controle de luminosidade ambiente,

sensores para alarmes, etc. São sensores de baixo custo e alta rubustez;

?? Pressão e força: os sensores de força são compostos por um dispositivo

principal que tem sua resistência elétrica alterada conforme a força aplicada

na membrana. Podem ser utilizados na detecção de pessoas ou automóveis ao

redor da residência de forma bem discreta. Existem também os sensores de

pressão atmosférica que podem ser utilizados em conjunto com os sensores

de temperatura e umidade relativa;

?? Tacométricos: são sensores de velocidade angular, compostos por um disco

óptico e um conjunto LED- fototransistor. O disco deve ser fixado no eixo que

se deseja efetuar a medição e a frequência dos pulsos nos terminais do

fototransistor é proporcional à rotação desse eixo;

?? Fumo: fornecem uma informação digital (sim ou não) da presença de fumo

em um ambiente. Para se poupar o número de entradas digitais das placas

controladoras, alguns destes detectores poderão ser ligados em série;

?? Gás: fornecem informação digital da presença de gás (butano ou propano).

Poderão ser utilizados em cozinhas e ou oficinas;

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?? Movimento: existem três tipos de detectores de movimento. Os mais comuns

são os infravermelhos ativos que emitem feixes infravermelhos entre dois

pontos lineares (um transmissor e um receptor) e ao serem interrompidos

acionam o alarme. Os mais seguros são os de feixe duplo. Outro modelo é o

PIR (Infra Vermelho Passivo) que detecta o movimento de fontes de calor

tais como o corpo humano. Existe também um sensor que opera com

microondas, como um radar. Este tipo de sensor emite sinais de frequências

de rádio e detecta o movimento através das ondas que refletem nos objetos e

retornam ao sensor. Os detectores de movimento por infravermelho podem

ser falsamente obstruídos por outras fontes de calor, sendo mais sensíveis à

detecção de movimento. Os sensores de microondas podem detectar

movimentos falsos, sendo mais sensíveis na detecção de movimentos lineares

em relação a ele. Muitos dos produtos fabricados incluem as duas tecnologias

aumentando a confiabilidade;

?? Sísmicos ou de vibração: trata-se de dispositivos piezo-elétricos,

normalmente cerâmicos, que geram tensão em seus terminais quando sujeitos

à aceleração segundo um dado eixo. Podem ser utilizados para detectar desde

vibrações de estruturas até a aproximação de veículos no exterior dos

edifícios ou em janelas como sensores de alarme. Os sensores de vibração

permitem que seja feita uma regulagem na sua sensibilidade a impactos,

evitando-se assim falsos alarmes provocados pelo vento ou ruídos exteriores;

?? Ultra-sônicos: basicamente, são microfones que operam em frequências

superiores às audíveis e são utilizados no desenvolvimento de alarmes e

medidas de distâncias;

?? Detectores iônicos de fumaça: são bem difundidos porque oferecem um

amplo espectro de aplicação. Neste tipo de detector existe uma pequena

quantidade de elemento radiativo, mas com alto poder ionizante, que emite

um sinal elétrico na presença de aerossóis e fumaça ainda invisíveis;

?? Detectores ópticos de fumaça: neste tipo de detector existe um LED (diodo

emissor de luz) e um foto-transistor. O LED emite luz que, pela geometria

interna do dispositivo, não chega em condições normais a sensibilizar o foto-

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transistor. Na presença de fumaça, entretanto, a luz vem difusa pelo "efeito

Tyndall" sensibilizando o foto-transistor que emite um sinal elétrico;

?? Detectores de chama: estes sensores são baseados em um dispositivo opto-

eletrônico sensível a uma determinada radiação eletromagnética ,

infravermelha ou ultravioleta. São utilizados para controle e proteção de áreas

de depósito com materiais inflamáveis;

?? Detectores de nível: são compostos por bóias que acionam interruptores ou

reed-relés quando um determinado nível de líquido é atingido;

?? Detector de líquidos e de vazão: os detectores de vazão são compostos por

borboletas de plástico ou metal que giram conforme a passagem do líquido

permitindo estimar se há vazão. Já os detectores de líquidos permitem obter a

informação digital da existência ou não de líquido em um duto ou recipiente.

Podem utilizar vários métodos de detecção como o fotoelétrico (o líquido

altera a passagem da luz) ou através do contato elétrico de dois eletrodos

devido ao líquido;

?? Sensores de fluxo de ar: normalmente utilizados no controle de ar em

gabinetes de equipamentos eletrônicos ou saídas de dutos;

?? Sensor acústico: utilizados para detectar a quebra de vidros de janelas ou por

tas. O sensoriamento é realizado quando há a emissão de uma frequência

específica do vidro sendo quebrado. É um sensor de grande precisão que

diminui a

possibilidade de falsos alarmes;

?? Botões de pânico: são detectores de toque, cujo objetivo principal é de alertar

o sistema no menor tempo possível sobre a existência de algum evento

anormal que esteja ocorrendo no espaço controlado;

?? Sensores de corrente PCS (Power Current Sensors): monitoram a corrente

drenada para equipamentos como projetores, VCRs, monitores e receivers de

áudio. Pode ser ajustado para detectar estados como ligado, desligado e

standby;

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?? Sensores de campo eletromagnético: monitoram o campo eletromagnético

gerado pelos tubos de raios catódicos de TVs e monitores indicando se o

equipamento está ligado ou não. Detectam frequências de varredura de 15 a

75 KHz;

?? Sensores VSS (Video Sync Sensor): detectam a existência de sincronia

horizontal em sinais de vídeo, podendo ser utilizado para detectar se

equipamentos como receptores de satélite e VCRs estão operando;

?? Sensores diversos: qualidade da água, oxigênio dissolvido, condutividade de

líquidos e sólidos, salinidade, sensores de componentes químicos, de

posicionamento (GPS), etc.

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APÊNDICE B – ESTUDO DE CASO

Neste projeto, todos os atuadores e sensores recebem e enviam,

respectivamente, informações diretas ao gerenciador através da rede doméstica. Cada

sistema domótico utiliza essas informações para determinar qual será a ação enviada

aos atuadores. Todos os sistemas de controle previstos estão listados na tabela

abaixo, eles operam de forma seqüencial e reagem segundo uma programação. Cada

um tem seu nível de prioridade, isto é, quanto menor o nível, maior é a prioridade

deste em relação aos outros. Quando um sistema de alta prioridade age sobre um

determinado atuador, qualquer outro será impedido de mudar o seu estado

posteriormente, até que o primeiro retire a requisição sobre ele. Essas prioridades

foram estipuladas segundo o nível de segurança que o sistema pode trazer ao usuário

e à casa.

Tabela 3 Prioridades dos sistemas domóticos

Sistema de Controle Prioridade de Ação nos

Atuadores

Detecção e combate de incêndio 1

Segurança patrimonial 2

Controle e automação de acessos 3

Energia elétrica 4

Iluminação 5

Fluidos e detritos 6

Telefonia 7

HVAC 8

Multimídia 9

Redes de Computadores 10

Monitoramento e visualização 11

Auditoria e otimização de processos 12

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Gerador de Eventos

Em uma situação real, com sensores e atuadores reais, todo o evento seria

gerado pelas variações de clima, horário e interações diretas do usuário. Já em uma

simulação, todas estes eventos devem ser criados a partir de funções matemáticas que

geram adequadamente as variações apresentadas naturalmente em uma situação real.

A vantagem de um simulador, no entanto, é a possibilidade de alterar essas condições

rapidamente com o propósito de analisar a resposta da residência inteligente frente

essas súbitas variações e validar o modelo. Por isso, são disponibilizados controles

deslizantes de temperatura, umidade, estação do ano, mês, dia, hora, minuto e

segundos para que seja possível tal interação.

Os eventos gerados diretamente pelos usuários são previstos na forma de

agentes que caminham pela residência inteligente e interagem com ela. Todos esses

agentes possuem uma identificação e um nível de operação diferenciado que lhes

permite diferentes status de gerenciamento e conduta. Alguns têm poderes totais,

enquanto outros não têm acesso nem controle dos componentes.

São previstos 9 geradores de eventos

?? Temperatura externa

?? Umidade

?? Meses do ano

?? Dia, hora, minuto e segundos

?? Eventos diretos do integrador

?? Eventos do usuário

A luminosidade externa é proporcional às variações de temperatura externa e

à hora do dia. Internamente à residência existem variações destes valores externos

que são diretamente dependentes da posição de portas, janelas e persianas e da

distância do cômodo ao meio externo. Os eventos diretos são disparados pelo

integrador a qualquer momento para análise da resposta da residência e os eventos do

usuário são aqueles promovidos pela interação deste com os sistemas domóticos.

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